基于MPDB 工況的車身前防撞橫梁優化設計

劉培源 代金樂 馬凱 許偉 車宜行 廖慧紅 賴富剛

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

碰撞相容性是指汽車發生碰撞時在保護自身乘員安全的同時盡可能保護對方車輛乘員安全的能力[1]。Euro-NCAP 已在 2020 年 1 月份將 MDPB（Mobile Progressive Deformable Barrier，漸近式可變形移動壁障）工況納入新車評價規程；我國的C-NCAP 也在2021 版新車評價規程中增加MDPB 碰撞工況，增加碰撞相容性考核指標，修正碰撞得分。車身前防撞橫梁的碰撞力學性能對MPDB 碰撞安全性能有很大影響，運用有限元仿真方法對比研究不同強度的車身防撞橫梁對MPDB工況壁障兼容性的影響，為新車型的碰撞安全性能研發提供參考。文章通過有限元仿真對不同厚度及不同材料的前防撞橫梁的吸能變形模式進行對比研究，并分析研究了前防撞橫梁MPDB 抗彎耐撞及其相容性指標性能。

1 MPDB 碰撞工況介紹

1.1 試驗方法介紹

MPDB 碰撞測試使用質量為（1 400±20）kg 的壁障臺車，測試車與臺車壁障分別以50 km/h 的速度相向行駛碰撞，重疊率為50%，臺車壁障最低處距離地面高度為（150±5）mm；測試車上共放置 4 個假人：THOR 50%HIII 假人、THOR 50%HII 假人、Q6 假人和 Q10 假人。碰撞測試方法，如圖1 所示。

圖1 MPDB 碰撞測試方法示意圖

1.2 MPDB 試驗壁障

MPDB 移動臺車壁障由臺架車、壁障蜂窩鋁、傳感器及其它部件附件組成，如圖2 所示。臺架車輪間距為（1 500±10）mm，軸距為（3 000±10）mm，碰撞塊前端距離臺車質心（2 290±30）mm，臺車質心離地高度為500 mm；蜂窩鋁主結構Z 向高度為570 mm，Y 向寬度為1 000 mm，蜂窩鋁主結構分為前、中、后3 個部分，分別為250，450，90 mm，蜂窩鋁3 個部分強度逐步增加，各不相同。

圖2 MPDB 移動臺車壁障示意圖

1.3 碰撞相容性指標評價方法

碰撞相容性指標評價由壁障變形量標準偏差（SD）、壁障虛擬乘員負載指數（OLC）、壁障蜂窩鋁擊穿情況3 個部分組成。根據Euro-NCAP 路線圖，2020 年1月1 日至2020 年12 月31 日，碰撞相容性評價罰分項為4 分，但從2022 年1 月1 日起，碰撞相容性評價最大罰分可以達到8 分，計算到測試評價得分內，對于新車星級評價影響較大。所以碰撞相容性指標評價對MPDB工況的得分，甚至是對整個新車星級評價都至關重要。

壁障變形量標準偏差（SD）以蜂窩鋁壁障指定區域侵入量深度為評判依據。壁障侵入量標準差（S/mm）和計算均勻系數（h/%）的關系為：當 S＜50 mm 時，h=0；當50 mm ≤S ≤150 mm 時 ，h= （S-50 mm）/100 mm；當S＞150 mm 時，h=100%。標準偏差（SD）的高性能指標值為50 mm，低性能指標為150 mm，根據數值插值方法計算所得。相關評價區域，如圖3 所示。

圖3 壁障均勻性指標評價區域

壁障蜂窩鋁擊穿評價是指在大于40 mm×40 mm的范圍，評價蜂窩鋁侵入深度是否大于630 mm，如果存在擊穿情況，則將會有2 分的扣減，記為MBO[2]。

壁障虛擬乘員負載指數（OLC）是指在碰撞過程中，假定臺車虛擬假人經歷勻速運動（0～t1）和勻減速運動（t1～t2）2 個階段，勻減速運動的恒定加速度值即為OLC 值[3]。OLC 中的 t1和 t2通過式（1）～ 式（3）獲得。

式中：t1——MPDB 臺車上虛擬假人自由向前移動65 mm時對應的時刻；

t2——虛擬假人開始受到約束，向前移動235 mm時對應的時刻（總位移量300 mm）。

t1～t2時間段內假設虛擬假人受約束的減速度是恒定的，該值即為OLC[4]。

相容性修正罰分的計算公式為：

當 OLC＜25g 時，Mcompat=-2h-MBO；

當 25g ≤OLC ≤ 40g 時 ，Mcompat=-2OLC/15+10/3-h[（4OLC/10-8）-（2OLC/15-10/3）]-MBO，Mcompat的限值為-8 分；

當 OLC≥40g 時，Mcompat=-2-6h-MBO，Mcompat限值為-8 分。

式中：h——均勻性系數；

Mcompat——相容性修正罰分。

2 車輛MPDB 碰撞仿真分析

2.1 前防撞橫梁優化設計分析

根據MPDB 的相容性耐撞特點，汽車碰撞時，前防撞橫梁最先參與碰撞變形吸能，也是碰撞過程中變形最明顯的關鍵吸能結構。為了更好地研究前防撞橫梁對MPDB 工況的影響。文章以某款轎車MPDB 碰撞工況開發為例，對前防撞橫梁厚度、材料以及結構進行剛度匹配性分析，研究不同剛度前防撞橫梁對MPDB 碰撞各項指標的影響，從而為前防撞橫梁的設計選型提供決策依據。

2.2 前防撞橫梁結構對比

前防撞梁總成結構主要由前防撞橫梁本體、吸能盒、吸能盒前后端板及其它附件支架等組成，如圖4所示。鋼質前防撞橫梁本體采用輥壓成型工藝，材料為HC550/980DP，前防撞橫梁截面采用雙腔體結構，如圖5 所示。鋁質前防撞橫梁本體采用壓鑄成型工藝，材料為AL6082，截面采用“口”字形和“目”字形結構，如圖6 所示。為了研究方便，將1.4 mm 厚的鋼質防撞橫梁設為方案1，1.6 mm 厚的鋼質防撞橫梁設為方案2，“口”字形鋁質防撞橫梁本體設為方案3，“目”字形鋁質防撞橫梁本體設為方案4。4 種方案的具體材料厚度質量信息，如表1 所示，“目”字形鋁質前防撞橫梁質量最輕，“口”字形鋁質前防撞橫梁次之，1.4 mm 厚的鋼質防撞橫梁較重，1.6 mm 厚的鋼質前防撞橫梁最重。4 種方案涉及3 種腔體設計，方案1 和方案2 的截面擁有2 個封閉空腔，方案3 擁有1 個封閉空腔，方案4 擁有3 個封閉空腔。

圖4 前防撞梁總成示意圖

圖5 鋼質前防撞橫梁截面示意圖

圖6 鋁質前防撞橫梁截面示意圖

表1 前防撞橫梁各方案材料厚度質量信息對比表

2.3 前防撞橫梁仿真結果對比

2.3.1 變形結果對比

前防撞橫梁及吸能盒變形圖，如圖7 所示，方案1～方案3 的前防撞橫梁本體中部皆出現嚴重的折彎變形；但方案2 的折彎變形情況要明顯好于方案1，方案3 的折彎變形情況最差；前3 種前防撞橫梁抗彎能力不足，在與可變形壁障發生碰撞的過程中，防撞橫梁中部折彎嚴重，進而導致壁障均勻性較差，并增加了壁障擊穿的風險，最終導致整體的壁障兼容性評價較差。方案4的防撞橫梁中部輕微折彎，折彎情形明顯好于前3 種方案，可見其擁有較好的抗彎能力，在發生碰撞的過程中，力可以有效地進行分散與傳遞，從而使壁障受力均勻，減小了擊穿的風險。

圖7 前防撞橫梁及吸能盒變形圖

2.3.2 應變結果對比

前防撞橫梁塑性應變，如圖8 所示。4 種方案的防撞橫梁均出現超過材料許用應變的情況，但塑性應變超過許用應變的區域及形式各不相同。方案1 的防撞橫梁主梁超出許用應變（7%）區域成帶狀分布，且應變區域連貫，范圍較大，斷裂風險較大；方案2 的防撞橫梁主梁超出許用應變（7%）區域成點狀分布，范圍相對較小，且不連貫，斷裂風險相對較小；方案3 的鋁質防撞橫梁主梁超出許用應變（14%）區域成連續帶狀分布，且范圍較大，斷裂風險較大；方案4 中鋁質防撞橫梁彎折程度較小，超出許用應變（14%）區域成點狀分布，超出應變范圍較小，且不連貫，故斷裂風險最小。

圖8 前防撞橫梁塑性應變云圖

2.4 壁障碰撞相容性仿真結果對比

2.4.1 壁障侵入量均勻性指標對比

壁障侵入量均勻性，如圖9 所示。4 種方案的防撞梁均未出現壁障擊穿現象。方案2 比方案1 的壁障侵入量的均值略小，但整體相差不大；方案4 明顯要比方案3 的侵入量均值小，且明顯小于2 種鋼質防撞梁方案的壁障侵入量范圍。

圖9 壁障侵入量均勻性云圖

2.4.2 壁障相容性指標對比

MPDB 碰撞相容性指標評價指數對比，如表2 所示。鋼質和“口”字形鋁質防撞橫梁方案下的壁障均勻性評價系數均較大，“目”字形鋁質防撞橫梁方案的壁障均勻性評價系數明顯優于其他方案。相關研究表明，OLC 值主要與碰撞車輛的整體質量關系較大[3]，前防撞橫梁的變動對此指標并不敏感，故而OLC 差距不大。從相容性修正罰分上來看，鋼質防撞橫梁壁障均勻性評價系數罰分存在微小差別，但基本一致，說明通過增加0.2 mm 的厚度，可以在一定范圍內增加防撞橫梁的抗彎能力，但改善效果不太明顯。“目”字形鋁質防撞橫梁相容性修正罰分明顯好于鋼質和“口”字形鋁質防撞橫梁方案，多腔體鋁質防撞橫梁的高抗彎特性對于壁障兼容性具有良好效果。

表2 MPDB 碰撞相容性指標評價指數對比

2.5 碰撞相容性仿真分析結果總結

1）通過對比不同厚度、相同截面結構的鋼質防撞橫梁的仿真結果，可以看出增加防撞橫梁的厚度在一定程度上可以提高防撞橫梁的抗彎強度，但效果不是十分明顯。

2）相同質量、相同截面尺寸、不同截面結構的鋁質防撞橫梁仿真結果顯示，改變防撞橫梁的截面結構特征，增加其封閉腔體的數量，來提高防撞橫梁的抗彎剛度，對提高橫梁結構的抗彎強度具有顯著的作用。

3）鋼質防撞橫梁質量較重，復雜封閉型面難成型，但成型工藝簡單，整體經濟性較好；鋁質防撞梁較輕，輕量化效果明顯，型面可塑性較好，可以成型各種復雜封閉型面，但整體成本較高；從防撞橫梁本體截面結構形式來看，在截面尺寸相同的情況下，封閉腔體結構越多，防撞梁的整體抗彎效果越好。

4）4 種方案的防撞橫梁壁障均未出現擊穿現象，OLC 值也基本一致，但“目”字形鋁質防撞橫梁車輛碰撞后的壁障侵入量標準偏差明顯要小于其它方案的橫梁。此外，鋁質防撞橫梁的材料延展性要優于鋼質，在發生彎折的過程中，斷裂風險較低，而且鋁質材料容易成型多腔體截面的防撞橫梁。因此，為提高防撞橫梁的抗彎強度，避免壁障出現擊穿觸底或表面變形均勻性差等問題，可在成本及工藝允許的情況下采用鋁質、封閉、多腔體的防撞橫梁。

3 結論

通過仿真研究發現，前防撞橫梁作為保證汽車被動碰撞安全的關鍵部件，其抗彎能力不足或出現斷裂，會導致汽車受力部件碰撞變形吸能不可控，將直接影響碰撞安全性能目標的達成。文章以MPDB 碰撞工況為基礎，建立碰撞仿真模型，以前防撞橫梁本體為主要研究對象，系統地研究了相同材料不同厚度、不同材料及結構形式的前防撞橫梁對MPDB 工況各項指標的影響，總結得出：在不改變前防撞橫梁材料和截面結構的情況下，只增加一定量的本體厚度，防撞橫梁折彎變形有所好轉，但整體抗彎能力變化不明顯；與鋼質防撞橫梁相比，鋁質前防撞橫梁易實現不同復雜封閉型面及合理厚度的制造，可以明顯提高前防撞橫梁的剛度及抗彎能力；前防撞橫梁抗彎能力的強弱對壁障均勻性指標有較大影響，對壁障虛擬乘員負載指數OLC 的影響相對有限，通過增加前防撞橫梁的剛度，可以在一定范圍內改善MPDB 工況的壁障均勻性，進而可以提高壁障的兼容性。