符合中國道路交通的壁障研究方法

田威 張山 張向磊

中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 前言

符合中國道路交通的壁障研究方法需要考慮中國的道路車輛結構，從大量的中國道路車輛前端結構入手，分析車輛在試驗中發生的變形，由變形數據分析計算出車輛前端結構的強度并給予量化，模擬替代中國道路車輛的前端結構，作為壁障開發的基礎。本文主要從十款不同類型的車型入手，進行相應的分析研究。

2 蜂窩鋁壁障的要求

汽車安全為當今汽車工程領域具有重要社會、經濟意義的研究熱點，并且得到了有關政府部門的高度重視。汽車安全性可以分為主動安全性和被動安全性兩大類，其中被動安全性，則是指汽車在發生意外事故時對乘員進行有效保護的能力。國外進行的汽車被動安全性研究始于20世紀六十年代，政府部門專門制定了關于汽車被動安全性的標準和法規來保證被動安全措施的實施。如美國聯邦機動車安全法規(FMVSS)中關于被動安全性的就有16項，歐洲基于產品認證制度也建立了利于理解和操作的ECE和EEC法規。為了滿足法規要求，同時提高產品性能與市場競爭力，歐美日等發達國家的汽車制造公司均有專門的研究所和技術人員從事被動安全性的設計、分析和試驗研究工作。根據各國的汽車行業法規，汽車在上市前必須通過法規規定的碰撞認證試驗，如歐洲的 ECE R94、R95，美國的FMVSS和我國的GB11551。但是，認證試驗只能說明汽車產品達到了法規的低要求，卻不能對消費者提供汽車產品安全性能的準確和詳細的信息，也容易使生產者在設計和制造產品時只針對法規進行研發而減少對乘員安全保護考量。為了能為消費者提供準確可靠的信息，同時鼓勵生產者提高其產品的安全性能，在中國法規中，碰撞用可變形壁障是重要的組成部分，可變形壁障分為正碰的R94和側碰的R95類型的壁障。使用可變形壁障目的主要是模擬兩車碰撞的工況，壁障是用來模擬汽車前部的變形和力學特性。

3 蜂窩鋁材料

可變形壁障是由一系列的鋁板和蜂窩鋁組成。蜂窩鋁材料是由多層鋁箔粘合，疊壓，然后經過拉伸工藝展開成規則正六邊形蜂窩，各蜂窩鋁有規則棱角和清晰的孔壁，表面平整可以較好的與面材料粘接成復合板材。六邊形蜂窩材料是一種近年廣泛應用于工業領域的多孔材料，相互連接制約的密集蜂窩陣列有許多小工字型結構，這種結構決定了它可以分散來自面板方向的承載力，且面板受力均勻，在面板面積較大的時候受力仍能保證較高平整度，在板受熱膨脹的時候蜂窩能起到擠壓吸能作用減小熱膨脹帶來危害。蜂窩鋁的具體特性優良，金屬制造綠色環保，易于回收再利用；其相對密度低質量輕、高比強度、剛度和抗撕裂性好；隔熱隔音性能優良，耐腐蝕耐老化；在應用中由于其版型大、平整度高、接縫挺直，具有安裝簡便、裝飾性強、易加工、性能穩定等一系列優點，越來越受到工程界與學術界的關注。其應用領域遍及軍工國防、航空航天、交通工具、建筑材料及裝飾裝修，且有不可替代的重要地位。

4 ECE R94和R95結構

蜂窩鋁壁障包括蜂窩鋁主體、保險杠元件、背板、覆板、保險杠面板等，蜂窩鋁主體應在單元軸線垂直背板的情況下粘到背板上，覆板應粘到蜂窩鋁主體的前表面，保險杠元件粘到覆板上，在碰撞過程中主要的吸能元件為蜂窩鋁主體和保險杠元件，蜂窩鋁下半部分總的強度要高于蜂窩鋁上半部分，水平方向任一位置的強度是一樣的。

5 MPDB蜂窩鋁評價介紹

MPDB蜂窩鋁變形的均勻性是評價碰撞兼容性的重要參考指標。試驗后要對蜂窩鋁表面進行掃描得到點云面，用1400條間隔20mm的線與點云面相交后得到1400個交點，用以表征蜂窩鋁變形量。由于MPDB試驗的蜂窩鋁與車輛前部50%碰撞，在設計正面碰撞蜂窩鋁壁障時，考慮到車輛前端部件絕大部分是對稱結構，可以按照結構對稱完成整個蜂窩鋁的結構設計。

6 不同高度和寬度位置的結構分析

本文選取十款車型進行侵入量的分析，侵入量的大小在一定程度上反應了車輛前端結構的強度，通過十款車型的評價區域的侵入量分析，可以得出車輛的前部平均結構強度大小，并得出一個平均的車輛前部模擬結構。由于各車型的車寬不同，在MPDB試驗中蜂窩鋁評價的范圍不同，本文選取共同位置部分進行侵入量的分析，選取范圍為MPDB蜂窩鋁前表面，上下范圍為：從底端向上100mm到500mm的范圍，左右范圍為：從右向左200mm到760mm的范圍，分析的位置為560個點的位置侵入量，十款車型具體位置對應的平均侵入量經計算可得出20行X 28列的圖表，如表1所示：

由表1可以計算出每一行的平均侵入量，由上至下總共20行，20行的每一行的平均侵入量統計如表2所示：

表1 十款車型具體位置對應的平均侵入量

表2 20行的平均侵入量

從上表可以看出每一行的平均侵入量，侵入量越大，說明此處車輛的強度較大，反之亦然，由表2可以看出十款車型的不同高度處的平均強度大小，由十款車型的不同高度處的平均侵入量大小可以得出下圖1，從下圖1側面可以看出，與ECE-R94所使用的蜂窩鋁側面外形類似，但存在一定的差異。差異主要反映在十款車型的自上而下的強度變化為由小變大，然后再由大變小，這個反映了中國車輛前端強度上邊較小、下邊較大，蜂窩鋁結構應該能夠反映車輛的前端結構強度。從這十款車型數據而言，ECE-R94的蜂窩鋁結構強度基本能反映車輛的前端結構強度，但是自上而下每一層的強度是不同的。

圖1 十款車型前端結構的豎直方向上的平均強度大小

由表1可以計算出每一列的平均侵入量，由左至右總共28列，28列的每一列的平均侵入量統計如表3所示：

表3 由左至右的28列的侵入量統計

從上表可以看出每一列的侵入量大小，可以得出十款車型前端結構的水平方向的平均強度大小，從下圖2可以看出，與ECE-R94所使用的蜂窩鋁側面外形類似，但在不同寬度的位置存在一定的差異，呈現出來的是車輛前端結構中間強度大、兩邊強度小，在對蜂窩鋁結構進行設計時，兩邊的強度應該比中間的強度要小，這一點與ECE-R94的結構強度不同。

圖2 十款車型前端結構的水平方向上的平均強度大小

7 結論

通過十款不同級別的車型在MPDB碰撞試驗反映出的不同高度和寬度的侵入量的不同，基本可得出蜂窩鋁不同位置的強度規律，顯示其與現有使用的碰撞蜂窩鋁的結構是存在差異的，由差異性進而研究符合中國道路的壁障結構設計方法。本文依托十款不同級別的車型進行試驗后變形數據的分析，研究可信度高，適合中國的道路交通情況。