基于MPDB試驗的車輛碰撞攻擊性識別與評價方法研究*

朱海濤，孫振東，楊佳璘，黃志剛

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300）

前言

由于車輛質量、剛度和前端結構的差異，交通事故中弱勢車輛往往承受更大的碰撞沖擊載荷，導致更嚴重的碰撞損傷。為改善這種碰撞不相容的問題，減小強勢車輛的攻擊性，歐洲新車評價項目Euro NCAP在全德汽車俱樂部ADAC移動漸變變形壁障MPDB（mobile progressive deformable barrier）測試方法的基礎上，提出如圖1所示的試驗方案。采用均勻性指標SD（standard deviation）、臺車乘員載荷指標OLC（occupant load criterion）和壁障擊穿3個指標評價車輛攻擊性，并于2020年正式導入測試評價規程［1］。3個評價指標中，均勻性指標SD用于評價車輛的前端結構尺寸，臺車乘員載荷指標OLC用于評價測試車輛的質量影響因素，壁障擊穿用于反映車輛前端剛度［2］。

但在實際試驗評價過程中發現以下問題：（1）均勻性指標SD只能反映評價范圍內車輛結構作用的均勻性，不能反映車輛的前端結構高度和碰撞載荷的傳力路徑，針對高縱梁結構和輔助吸能結構，無法有效進行路徑監測識別和評價；（2）壁障擊穿指標只能反映前縱梁等局部結構的最大剛度，不能體現碰撞過程中車輛的整體剛度水平，沒有進行量化評價。良好的碰撞相容性取決于碰撞雙方車輛有效的能量吸收和結構分布。

針對以上問題展開研究，開發新型攻擊性評價指標，以更好地反映和評價MPDB試驗中車輛的碰撞相容性。

1 交通事故中車輛前端結構作用情況

FIMCAR項目交通事故統計數據表明，由碰撞相容性問題導致的傷亡事故主要與車輛前端結構相互作用方式、碰撞力傳遞性能和乘員艙強度相關［3］。前端結構相互作用又與騎乘效應、叉子效應和小重疊率相關。騎乘效應主要是指兩車的主要吸能結構高度不一致，導致一方的主要吸能結構騎跨在另一方的上面，它的明顯特征是弱勢方前端主要吸能結構并未承載相應載荷，碰撞能量直接由乘員艙吸收，導致乘員艙嚴重變形；叉子效應主要是由于保險杠橫梁及其相關結構太弱，造成保險杠橫梁及其相關結構變形嚴重或斷裂，難以有效傳遞碰撞力，導致弱勢方難以有效吸能，強勢方的碰撞結構插入到弱勢方的結構中；小重疊率主要是指主要吸能結構在橫向上基本沒有重疊，導致一方的碰撞結構直接撞擊對方車輛A柱、門檻梁等位置，造成車輛乘員艙一側變形較大。

針對交通事故中的碰撞不相容情況，在車輛相容性評價中，應能反映碰撞過程中的傳力路徑和力在縱向、橫向上的分布情況，以及反映碰撞能量在兩車之間的分配情況：對于騎乘效應，應對高縱梁結構進行監測評價；對于叉子效應，應監測碰撞過程中前端結構的剛度水平；對于小重疊效應，應考察車輛吸能結構在橫向的分布情況，避免碰撞過程中沒有橫向的結構重疊。因此，在制定相容性評價指標時，應該考慮上述交通事故中存在的問題。

2 傳力路徑識別方法

2.1 評價區域的劃分

Euro NCAP目前劃分的均勻性指標SD評價范圍（圖2）高度上限為距離地面650 mm，高度下限為距離地面250 mm，橫向兩側的邊界分別為距離碰撞右側邊緣45%車寬和200 mm，試驗后掃描壁障，通過計算區域內變形量的標準偏差SD來評價結構作用的均勻性［4］。

圖2 Euro NCAP相容性評價范圍

車輛在實際發生碰撞時，前端結構相對MPDB壁障主要有4種位置形式（圖3），而Euro NCAP目前的評價區域只能覆蓋碰撞結構圖3（c），不能覆蓋其它3種碰撞形式的傳力路徑，因此須擴大豎直方向上的評價范圍，同時為監測識別結構高度，也須重新劃分評價區域。

圖3 車輛前端結構相對壁障位置

在正面100%碰撞相容性評價中，EEVC推薦將碰撞力墻的第3行和第4行（離地330~580 mm）作為車輛前端結構碰撞的共同作用區域［5］，同時這也包括了美國標準Part 581所規定的共同作用區域（離地406~508 mm）。在歐洲汽車碰撞相容性研究項目VC COMPACT（vehicle crash compatibility）中，對車輛的前端結構高度進行了統計分析［6］，為能評價副車架等輔助吸能結構的傳力路徑，推薦180 mm作為評價區域的下限，而統計得出的最高副車架離地高度為326 mm，與330 mm接近。同時，為評價高縱梁車輛的前端結構的作用，將評價區域的高度上限取為700 mm。

綜合上述因素，將MPDB評價區域劃分為3個區域：下部評價區域高度下限為180 mm，上限為330 mm，主要用來識別和評價副車架等輔助吸能結構的作用；中部評價區域（共同作用區域）高度下限為330 mm，高度上限為580 mm，基本覆蓋大多數車輛前縱梁等主要吸能結構；上部評價區域高度下限為580 mm，高度上限為700 mm，用來識別和評價高縱梁結構車輛在該區域的作用；評價區域的橫向尺寸與Euro NCAP評價區域相同，基本覆蓋了吸能結構的橫向范圍（圖4）。通過區域的重新劃分，可以覆蓋從副車架到高縱梁全部碰撞傳力路徑。

圖4 評價區域示意圖

2.2 前端結構傳力性能評價策略

為在評價區域內進行前端結構傳力路徑、結構高度和對應區域載荷分布的評價，以實現對前端結構相容性的全面考察，須對評價先后順序和策略進行分析。

首先，應進行車輛結構傳遞路徑的識別，通過壁障不同評價區域內縱向變形方式識別主要吸能結構和輔助吸能結構所在的評價區域，進而獲得傳力路徑的高度范圍，得到豎直方向上的相容性結果。

其次，在得到傳力路徑和評價區域后，應對其在水平方向上碰撞載荷的分布情況進行評價，以獲得水平方向上的相容性結果。對于中部評價區域（共同作用區域），車輛的主要吸能結構應能使壁障有效變形和吸能，但不能超過最大變形限值，在水平方向上分布均勻，以減少交通事故中小重疊率、叉子效應等不相容的情況。如果在上部評價區域監測到傳力路徑，而車輛在共同作用區域內沒有傳力路徑，前縱梁等主要吸能結構離地較高，易發生騎乘現象，因此須對主要吸能結構造成的壁障縱向變形進行限制，以減小發生騎乘現象的機率；如果在下部評價區域監測到傳力路徑，應對其在水平方向上的分布情況進行評價，以確保副車架等輔助吸能結構能夠有效發揮作用，評價流程如圖5所示。

圖5 評價策略流程圖

2.3 前端結構傳力路徑識別方法

2.3.1 傳力路徑識別指標

根據評價策略，須確定評價區域內傳力路徑的識別指標。根據圖3對前端結構的分類，確定車輛碰撞結構對應蜂窩鋁評價區域，采用50百分位至80百分位變形量來反映壁障的變形特征，取最小數值曲線作為識別指標限值。

選取20個車型的MPDB蜂窩鋁變形數據，對不同評價區域內的壁障縱向變形百分位數值進行統計分析，結果如圖6~圖8所示。在同一評價區域內，對比50百分位至80百分位壁障變形量可知：對于上部評價區域，車型1、車型8、車型9、車型19和車型20為高縱梁結構車型（圖6方框內），其對應百分位數值集中于上方，明顯大于其他結構類型，說明可以用百分位數值曲線作為高縱梁結構的監測識別指標，以圖6中最小數值曲線作為識別指標限值。

圖6 上部評價區域百分位變形量曲線

由圖7可見，對于中部評價區域，處于各車輛結構的共同作用區域，50百分位至80百分位壁障變形量曲線較為集中，無明顯差異趨勢。

圖7 中部評價區域百分位變形量曲線

由圖8可見，對于下部評價區域，處于副車架等輔助吸能結構作用區域，按照圖3中分類為D類的車輛結構，共有7組數據（方框內），其50百分位至80百分位壁障變形量數值明顯大于其他結構類型，有較大差異，可以用百分位數值曲線作為輔助吸能結構的監測識別指標，以圖8中最小數值曲線作為識別指標限值。

圖8 下部評價區域百分位變形量曲線

因此，得到用于監測識別車輛高縱梁結構和輔助吸能結構的壁障變形百分位限值曲線，如圖9所示，當對應區域百分位變形量曲線高于限值曲線時，對應結構將被識別。

圖9 識別曲線限值

2.3.2 傳力性能評價指標

當識別到對應傳力路徑后，得到對應的車輛前端結構類型，結合上部、中部和下部評價區域，確定以下相容性評價方法。

若監測識別到高縱梁結構傳力路徑，為避免騎乘效應的發生，應限制高縱梁結構的剛度，結合上部評價區域內的壁障縱向變形深度，采用Euro NCAP擊穿指標對高縱梁結構攻擊性進行評價，在40 mm×40 mm的區域上造成的變形深度不能超過630 mm。對于中部評價區域和下部評價區域，應有效考察傳力路徑在橫向上的分布情況，對評價區域內的不同列變形數據進行均勻性指標計算。50百分位數值可以反映該組數據的平均水平，因此取每一列50百分位變形量數據作為代表，如圖10所示。圖中位移小于等于160 mm為橙色；161~320 mm為黃色；321~480 mm為綠色；481~630 mm為紅色，在此基礎上對每列的代表數據進行標準偏差計算，參考Euro NCAP均勻性高低性能限值，進行均勻度計算，可以得出傳力路徑在橫向上的分布情況。

圖10 不同評價區域內數據分列情況

標準偏差和均勻度計算公式為

式中：S'為對應評價區域的標準偏差；xi為評價區域內第i列的50百分位變形量數據；xˉ為50百分位變形量數據的平均值；α為評價區域均勻度。均勻度越大說明傳力路徑在橫向上的分布情況越好。根據上述評價方法，可以識別和評價傳力路徑及其橫向分布情況，實現了對副車架和高縱梁等車輛前端結構的評價。

2.3.3 評價方法驗證

以某車型結構為例，進行評價方法驗證。提取50百分位至80百分位變形量曲線進行傳力路徑識別（圖11），其不同評價區域的50百分位至80百分位變形量曲線均在高縱梁識別線和輔助吸能結構識別線之間，說明該車型為圖3中的D類結構，有兩條傳力路徑，主要吸能結構位于中部評價區域內，輔助吸能結構位于下部評價區域內。對應評價區域提取每列50百分位數據（圖12），對其中部評價區域和下部評價區域橫向分布情況進行標準偏差計算，計算值分別為110和98 mm，均勻度分別為40%和52%，說明該車兩條傳力路徑在橫向上的分布情況均有待提高。

圖11 傳力路徑識別示例

圖12 不同評價區域內每列50百分位變形量

3 剛度評價方法

3.1 MPDB試驗中碰撞剛度分析

Euro NCAP在評價區域設置了擊穿指標，若在40 mm×40 mm的區域上造成的變形深度超過630 mm，則判斷為擊穿［4］，但此指標只能反映出前縱梁等零部件的局部剛度，不能反映碰撞過程中車輛前端剛度的整體情況［6-8］。

MPDB試驗過程中，存在如下關系［9］：

式中：St和Sv分別為臺車和車體的位移；Dt和Dv分別為壁障和車體的變形量；aˉ、vˉ、-S分別為兩者相對加速度、速度和位移，下標0、1分別表示t0、t1時刻的量。

由式（2）可知，在由被撞車輛和MPDB臺車組成的碰撞系統中，提高壁障或車體的剛度水平可減少壁障或車體的最大變形量；增加車體的最大變形量可減少壁障的最大變形量，反之亦然。因此壁障吸能比可以反映測試車輛在碰撞過程中的整體剛度情況。

3.2 蜂窩鋁規格與吸能計算

文中采用70PDBXT ADAC蜂窩鋁為研究對象，其由3層3003蜂窩鋁塊組成，3層鋁塊粘合在一起，由鉚接鋁皮層覆蓋，后部鋁塊與背板粘合。前層（區域1）在碰撞方向上尺寸為250 mm；中間層尺寸為450 mm，包括上部區域2和下部區域3；后層（區域4）尺寸為90 mm（圖13）。

圖13 蜂窩鋁70PDBXT ADAC構造及外觀尺寸

蜂窩單元的幾何形狀對MPDB壁障臺車碰撞能量的吸收與回彈有顯著的影響。圖14示出兩種典型的蜂窩結構。其中θ為單元角，h為垂直構件高度，l為角構件長度，t為單元壁厚。

圖14 典型蜂窩單元尺寸定義

70PDBXT ADAC蜂窩鋁采用圖14（a）形式的蜂窩單元，其后層（區域4）的單元尺寸Lx為6.3 mm（1±10%），中層（區域2，3）Lx為9.5 mm（1±10%），前層（區域1）Lx為19.1 mm（1±10%）；其中前后兩層碰撞變形力恒定，中間層碰撞力隨著變形量的增加而增加，其靜態擠壓力-位移曲線應滿足圖15中的性能通道規范要求。

圖15 70PDBXT ADAC蜂窩鋁靜態擠壓力-位移曲線要求

在碰撞過程中蜂窩鋁應變能計算如下：

式中σij、εij、γij分別為應力、應變和角應變分量。

3.3 蜂窩鋁吸能比實現方法

在碰撞后的蜂窩鋁上進行定位點粘貼和噴漆處理，利用3D掃描設備進行掃描，掃描后得到碰撞后蜂窩鋁3D表面，并將文件轉換成STL導入3D建模軟件，建立三維坐標系，進一步將坐標系投影到曲面上，對曲面進行處理及裁剪，按照20 mm×20 mm的間隔要求選取點，將得到的點云以ASC格式輸出得到坐標值。根據壁障剛度特性，對評估區域內每個蜂窩鋁單元的壓潰能量進行計算并求和，得到壁障吸收的能量。

3.3.1 壁障壓潰強度

根據圖15得到區域1壓潰強度σ1為0.325 N/mm2，區域4壓潰強度σ4為1.625 N/mm2。對于中間層（區域2，3），當蜂窩鋁壓潰行程xi≤350 mm時，壓潰強度為

式中：xi為在相應區域中的壓潰行程，a、b、c、d為圖15中對應的拐點位置。對于區域2，σa為0.41 N/mm2，σb為0.27 N/mm2，σc為0.75 N/mm2，σd為0.61 N/mm2；對于區域3，σa為0.75 N/mm2，σb為0.61 N/mm2，σc為1.09 N/mm2，σd為0.95 N/mm2。

當中間層蜂窩鋁壓潰行程xi>350 mm時，區域2的壓潰強度σ2-R為0.68 N/mm2，區域3的壓潰強度σ3-R為1.02 N/mm2。

3.3.2 壁障吸能比

在能量吸收方向上，蜂窩鋁有效吸能行程為圖13中相應尺寸的80%。因此最外層有效壓潰行程為200 mm；中間層的有效壓潰行程為360 mm；第3層有效壓潰行程為72 mm。根據各區域壓潰強度，得出每個蜂窩鋁20 mm×20 mm單元，在不同位移下的壓潰能量為

式中：s為單元面積400 mm2；xi為碰撞方向位移。對評估區域內每個蜂窩鋁單元的壓潰能量進行計算并求和，得到ΔE壁障。

3.3.3 吸能比限值確立

獲取20組MPDB試驗數據。其中試驗車輛縱梁高度分布如圖16所示。對試驗中的臺車壁障吸收能量進行統計。計算得到臺車壁障吸能比累積百分位曲線（圖17）。其中50百分位的壁障吸能比為28%，反映出測試車輛前端剛度的平均水平。這說明，當壁障吸能比大于28%時，壁障吸收的能量相對較多，臺車模擬的車輛乘員艙變形侵入風險增大，測試車輛前端整體剛度較大，應進行相應的調整和優化。

圖16 20款測試車型縱梁分布高度

圖17 壁障吸能比累積百分位曲線

4 結論

分析發現Euro NCAP推出的MPDB兼容性評價指標無法反映車輛的前端結構高度和碰撞載荷的傳力路徑，不能體現碰撞過程中車輛的整體剛度水平，因此以MPDB攻擊性測評指標為研究對象，結合交通事故反映出的碰撞相容性影響因素，提出車輛前端結構攻擊性能評價策略與方法。通過研究，重新劃分了蜂窩鋁評價區域，針對每個評價區域提出了對應的評價指標，利用數據統計分析的方法，得到碰撞傳力路徑監測識別與評價方法，得出如下結論。

（1）根據車輛前端結構相對壁障的位置，將評價區域重新進行選取，劃分為上部評價區域、中部評價區域和下部評價區域，覆蓋了從副車架等輔助吸能結構到高縱梁結構，全面評價車輛前端結構，并兼容了與EEVC正面100%相容性試驗評價區域以及VC COMPACT項目評價區域。

（2）依據交通事故碰撞不相容影響因素，提出了評價前端結構的策略。首先進行車輛結構傳力路徑的識別，得到主要吸能結構和輔助吸能結構所在的區域，獲得傳力路徑的高度范圍；其次對傳力路徑在水平方向上的載荷分布情況進行量化評價。

（3）通過對比同一評價區域50百分位至80百分位壁障變形量，得出了識別高縱梁結構和副車架等輔助吸能結構的壁障百分位變形量曲線；對上部評價區域提出了最大變形量要求，以減少騎乘現象的發生，對中部評價區域和下部評價區域提出了50百分位變形量標準偏差評價指標，以使傳力路徑在橫向上均勻分布，減少叉子效應和小重疊效應。

（4）對MPDB壁障吸能過程進行理論分析，提出蜂窩鋁吸能比的計算與實現方法。利用數據統計的方法得出壁障吸能比的分布情況，提出將壁障吸能比作為評價測試車輛前端整體剛度的量化指標，并以50百分位數據作為參考限值。