MPDB測試與車對車碰撞相關性研究

李璐江，路 深，卜曉兵，李夢琦

(1. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082)

1 引言

自2006年各國各地區陸續設立汽車安全法規以及推廣新車安全評價規程(NCAP)以來，通過系統的碰撞工況(正面剛性碰撞、偏置可變形壁障碰撞、側面移動壁障碰撞等)測試，車輛被動安全已經取得長足進步，事故傷亡率逐漸降低。然而，事故調查發現，在車輛安全評價規程中表現良好的車輛，在實際車對車碰撞事故中，由于兩車主要傳力路徑空間布置和剛度匹配不合理，可能出現“叉撞”、“騎撞”、“強撞弱”等現象，導致對某一方車輛乘員受到更嚴重傷害。

此外，固定壁障試驗中，試驗車輛初始動能幾乎全部轉化為車輛和壁障的變形能。而移動臺車碰撞試驗中，碰撞總能量在兩者吸能比例與試驗車質量強相關。剛性壁障測試主導的測評體系很可能導致重量越大的車前端結構剛度越高，車型之間的剛度差距變大[1]。

基于此，業內專家提出了車輛碰撞兼容性的概念。碰撞兼容性可理解為車對車碰撞事故中，除了保護本車乘員安全外，同時降低對方車輛乘員傷亡風險的性能。碰撞兼容性測試全面研究開始于1997年的國際協調研究活動兼容性工作組(IHRA)，隨后多個組織跟進這項研究，包括EUCAR 的兼容性研究項目(2001年)，歐洲車輛安全委員會(EEVC，2007年)第15工作組，中國被動安全試驗技術研究平臺工作組(2020年，天津)等。

車輛安全評價規程及法規會對車身設計提供引領和指導，為進一步降低社會整體交通事故傷亡率，有必要研究新的整車碰撞安全測試工況[2]。未來，道路安全研究重點將由自身車輛乘員保護擴展到自身及對方車輛乘員保護，即碰撞兼容性。

2 碰撞兼容性研究現狀

2.1 碰撞兼容性測試發展

研究人員開發了多種試驗形式用以模擬實際交通事故中車對車碰撞形態下兼容性表現(Car to Car Crash，C2C)，包括正面全寬可變性壁障測試(full-width deformable barrier)，漸進可變性壁障測試(progressive deformable barrier)，漸進可變性移動壁障測試(moving progressive deformable barrier)。雖然測試方案眾多，但業內多數學者均認為測評體系需要同時進行偏置碰撞和全寬碰撞以全面評估車輛的乘員保護性能以及兼容性。目前，C-NCAP和Euro-NCAP均選取MPDB試驗作為車對車碰撞兼容性測試方法。

圖1 車對車碰撞試驗

2.2 MPDB工況介紹

MPDB試驗臺車與測試車輛進行正面碰撞，雙方速度均為50km/h，重疊率50%，臺車與AEMDB相同，壁障離地高度150mm。通過計算評估區域內壁障變形標準偏差(以下簡稱SD)以及臺車上乘員載荷準則(以下簡稱OLC)來評估車輛碰撞兼容性。評估區域參考存量汽車防撞梁、副車架等主要結構件分布設定。MPDB壁障蜂窩鋁強度和壁障厚度有所提升，大大降低了試驗車輛觸底的可能性，更接近實際事故狀態。

圖2 MPDB工況示意圖

2.3 國內外研究現狀

FIMCAR[3]調查發現車對車碰撞事故中小型車侵入風險并不比重型車高，分析后認為車輛間的前端結構截面力差異并不是最關鍵因素，可能是車輛加速度變化及結構件空間分布造成了小型車乘員受損更嚴重。Taisuke Watanabe[4]通過仿真對比研究了某車型兼容性碰撞試驗與車對車碰撞試驗的差異，發現臺車OLC與車輛加速度、乘員艙侵入相關性很強，可以較好的考核車輛的攻擊性。

Ton Versmissen[5]設計了一種前端布置力傳感器的兼容性測試壁障，分析了臺車壁障質量、質心、高度等對結果的影響。并建立車對車碰撞的彈簧阻尼模型，用以快速分析計算。Takashi Hasegawa[6]依據交通事故統計數據，建議兼容性碰撞試驗的重疊率應為50%、相對速度應為110km/h、臺車質量應為1200kg，壁障漸進剛度關鍵在于樣本地區車輛平均剛強度水平以及車輛自身剛度梯度設計，即主要傳力結構件的空間布置和剛度水平。

Adolph[7]區分了水平和垂直方向的載荷路徑剛度分布，統計了37款車型PDB試驗后壁障變形情況，如圖3所示，提出構建平均結構件區(common interaction zone)的方法。通過法規引導將車輛主要傳力構件空間分布和剛度水平控制在一定范圍內，提高車對車碰撞事故中兩車互相作用吸能的耦合程度，從而提升車對車事故中整體乘員的安全。

圖3 37款車型壁障變形云圖

目前針對MPDB試驗測試方法有效性的研究仍然較少。本文首先選取某SUV車型作為“基準車”，進行MPDB仿真對標，得到準確的有限元整車模型。并選取另一輛車作為“子彈車”，基于壓潰理論對其進行MPDB工況仿真分析及優化，得到碰撞兼容性評分低、中、高三種狀態下的“子彈車”，與“基準車”進行車對車碰撞試驗，研究“子彈車”在MPDB工況與“基準車”實車對撞(Car to Car)工況下兼容性表現的相關性。

3 “基準車”MPDB工況仿真

3.1 整車模型搭建

基于某品牌SUV搭建整車碰撞有限元模型，車重1.9噸，動力為傳統內燃機，車寬1930mm。搭建MPDB工況進行仿真分析，整車模型如圖4所示。仿真用材料應力-應變曲線通過數字圖像相關法測得，防撞梁、縱梁、副車架、上指梁等關鍵結構件使用一步法添加沖壓信息，考慮厚度減薄及殘余應力的影響。并對發動機懸置、底盤連接件、輪胎等關鍵部件設置失效。

圖4 “基準車”MPDB整車模型

3.2 “基準車”試驗對標

該“基準車”在40%重疊率可變性壁障和全寬正面剛性碰撞中表現優異，達到C-NCAP2018五星標準，但未針對碰撞兼容性進行設計優化。從MPDB實車試驗結果看出，車輛主要傳力路徑之間剛度匹配不合理，防撞梁-吸能盒-縱梁作為主路徑承擔了絕大部分載荷，對應壁障區域變形較大，且主要結構件傳力路徑方向與壁障罰分評估區重疊面積過小，未能與壁障充分接觸，導致壁障變形極不均勻。碰撞過程中，縱梁只是前端小范圍潰縮，并沒有發生大的折彎吸能；防撞梁強度偏弱，中段折彎嚴重，導致副駕側縱梁沒有充分參與吸能，最終主駕側縱梁對應位置壁障被擊穿。

圖5 實車試驗壁障變形圖

圖6 實車試驗壁障變形云圖

圖7 仿真壁障變形云圖

車輛左側B柱下端加速度曲線試驗仿真對比如圖8所示，波峰波谷時間接近，加速度峰值接近，對標較好。壁障SD值試驗中為179，仿真為188；試驗和仿真中壁障均被擊穿；臺車OLC試驗中為37.5g，仿真中為38.2g，對標較好，整車模型可信。

圖8 “基準車”仿真試驗加速度對比

3.3 試驗車對壁障仿真

選取另一款SUV車型作為“子彈車A”，進行MPDB工況仿真計算，車重1.6噸，動力為內燃機，車寬1890mm。該車型并未針對兼容性做優化，基礎模型MPDB工況仿真結果如圖9所示，其SD=120.9mm，OLC=35.1g，碰撞兼容性較差。

圖9 “子彈車A”壁障變形云圖

4 基于壓潰理論的子彈車MPDB優化

4.1 MPDB工況分析

影響車輛碰撞兼容性評價的主要因素包括車輛整備質量，車輛傳力結構與壁障的耦合作用，車輛前端吸能結構剛度匹配，以及乘員艙穩定性。將車輛前端變形區從前向后劃分為三級吸能區域，軟區域以吸能盒端板為界分為兩部分，如圖10所示。主要優化思路是盡可能保證能量在試驗車和壁障臺車之間均勻吸收。

圖10 車輛及壁障吸能區分布

OLC廣泛應用于試驗車輛加速度波形評價，其關鍵在于提前位移65mm達到時間，延遲延長位移235mm到達時間，避免大的波峰波谷；通過結構件設計、結構件截面設計、激光拼焊等手段合理匹配結構件剛度梯度。其中，車輛質量主要影響壁障臺車的OLC值，對壁障的SD值影響較小。

設計多條傳力路徑可以達到結構耦合作用。載荷分散到多條傳力路徑，且路徑之間呈剪切組合，載荷得以在各個部件之間相互傳遞。另外，可以增大碰撞接觸面積同樣可以達到分散載荷效果。例如，增加防撞梁的自身高度和寬度有利于SD值降低。防撞梁在Y向加寬后，可以輔助增加雙吸能盒結構。雙吸能盒結構不僅可以為防撞橫梁提供支撐，還可以增加車輛前端的吸能結構。

MPDB工況中，要結合壁障硬度，合理設計車輛前端剛度。在壁障逐級壓潰過程中，壁障硬度逐漸增加，所以前端剛度要與壁障剛度匹配，使壓潰吸能達到最大效率。

4.2 前端能量目標

采用車輛前端碰撞能量管理方法，首先獲得吸能目標，得到改進后的子彈車型總成吸能量。本文首先提出目標吸能量，由于能量目標無法直接用于結構設計，故將能量目標轉化為壓潰力目標，將能量與結構緊密連接起來。公式如式(1)所示

(1)

式中，F0為壓潰力。K為壓潰系數，E0為目標吸能量，D為壓縮長度。

本文采用低碳鋼矩形截面設計關鍵構件。低碳鋼矩形截面薄壁梁平均軸向壓潰力計算公式如下

F=13.105σ0b1/3t5/3

(2)

式中：F為平均軸向壓潰力；σ0為平均流動應力(材料屈服極限和斷裂極限的均值)；b為矩形截面長。

4.3 能量目標確定

根據3.2節可知，首先需要確定關鍵梁系能量目標，然后運用壓潰理論進行截面設計。

根據仿真變形動畫可知，車輛在與壁障碰撞時會發生偏轉，造成在碰撞結束時刻，車輛與壁障脫離，此時車輛仍有一定動能。所以車輛關鍵結構吸能量計算公式為

Ea=E0-Ev-Ep

(3)

式中，Ea為車體關鍵結構總目標吸能量，E0為初始動能，Ev為碰撞結束時動能，Ep為壁障吸收的能量。

子彈車整備質量1578kg，壁障重量1400kg，起始速度為50km/h，由動能公式計算可得初始動能為287.3kJ，由整車模型能量曲線讀取模型初始能量為301.2kJ，誤差率4.8%，屬于正常范圍，可知基礎車型仿真模型能量曲線準確性較高；取120 ms為碰撞結束時刻，此時模型總動能為47.3kJ，車輛吸能130.5kJ，壁障吸能123.4kJ，模型中滑移能和沙漏能占比很小忽略不計。可以看出，目前主要問題在于車輛和壁障吸能過少，殘余動能較大。

4.4 優化分析

兼容性評分中涉及的SD值和OLC影響因素不同。其中，試驗車結構件整體剛度水平和車重對于OLC值的影響最大，結構件與壁障正面重疊面積以及剛度耦合對SD值影響較大。對于質量較大的SUV，重心較高，尤其要注意副車架結構設計。

將前機艙傳力路徑分為上中下三條：上端路徑主要為為水箱橫梁、上指梁、縱梁搭接結構，中端路徑為防撞梁、吸能盒及附屬支撐結構、縱梁，下端路徑為副車架前橫梁、副車架、水箱下立梁，如圖11所示。

圖11 結構區及乘員艙示意圖

基于壓潰理論計算兼容性區域各傳力路徑對應三級吸能區域的壓潰力，機艙硬區域剛度上限設置為壁障第三級蜂窩鋁強度，從后向前，每級吸能區域剛度依次遞減15～30%，作為剛度目標值。通過改變防撞梁寬度和高度，更換鋁合金吸能盒，上指梁與縱梁增加搭接，設置副吸能盒及附屬支撐結構，改變副車架前橫梁寬度和高度，改變結構件料厚和牌號等方案調節傳力路徑剛度，匹配目標值。

優化后，得到了多種設變方案狀態的車輛。從中選取三種方案狀態車型，將其按照MPDB兼容性得分由低到高稱為“子彈車”A、B、C。“子彈車B”和“子彈車C”的主要區別在于下部傳力路徑：“子彈車B”采用半框式副車架，“子彈車C”采用全框式副車架并搭配副車架前橫梁。

5 C2C與MPDB結果對比

5.1 C2C結果分析

搭建車對車碰撞有限元模型，如圖12所示。參照mpdb試驗，將3輛子彈車分別與基準車進行對撞仿真分析，偏置率50%，速度均為50km/h。

圖12 C2C工況有限元模型

統計子彈車A、B、C在MPDB工況下壁障SD值以及C2C工況下乘員艙前圍板最大侵入量，如圖13所示；MPDB工況下臺車OLC以及C2C工況下兩車OLC值如圖14所示；MPDB工況下壁障蜂窩鋁吸能以及C2C工況下兩車車身吸能如圖15所示。

圖13 MPDB與C2C工況最大侵入量對比

圖14 MPDB與C2C工況OLC對比

圖15 車身壁障吸能對比

通過仿真試驗結果發現，“基準車”OLC明顯小于“子彈車”，乘員受傷害風險相對較低，表現出更強的攻擊性，這可能是因為車輛整備質量差距較大導致。同時“基準車”配備了全框式副車架，“子彈車”只是半框式副車架，因此侵入量差異較大。此外，MPDB壁障重量為1.4t，低于“基準車”，因而MPDB工況中臺車OLC比車對車工況中普遍更高。

5.2 相關性分析

通過車對MPDB壁障以及C2C結果對比可以看出，MPDB工況中SD值低的車輛，在C2C試驗中“子彈車”前圍板侵入量顯著降低，“基準車”前圍板侵入量略有提高。針對兼容性進行優化后，兩車侵入量水平有接近的趨勢，車身結構件耦合程度更高，變形更加均衡，兩車乘員總體受傷風險降低。

MPDB工況中OLC更低的車輛，在C2C試驗中“子彈車”OLC更低，和“基準車”OLC差距變小，兩者比值近似等于兩車整備質量反比。“基準車”整備質量大于“子彈車”，因而其OLC變化幅度較小。

MPDB工況中兼容性表現更好的車輛，壁障蜂窩鋁部分吸能更加充分，在C2C工況中，“子彈車”吸能增加，兩車結構件吸能總和也有所提升。碰撞初始動能更多的轉化為結構件內能，車輛殘余動能減小，乘員艙穩定性提高，乘員受傷風險相應降低。

與子彈車A、B、C分別碰撞時，基準車關鍵梁系變形對比發現：隨著子彈車碰撞兼容性的提升，子彈車shotgun壓潰程度減小，縱梁中部折彎加劇、總壓潰距離增大；基準車縱梁壓潰距離略有提升，兩側縱梁更加充分參與變形。即使面對整備質量高于自身的車輛，MPDB試驗中表現更好的子彈車，被撞基準車梁系變形也會有所優化。筆者分析認為其原因在于，子彈車上、中、下傳力路徑剛度匹配和空間分布更加均勻，與基準車耦合程度提高，吸能水平提高。

MPDB試驗評價中表現更好的車輛，在C2C工況中兩車變形吸能更加均衡充分，前圍板最大侵入量、OLC等指標均有所改善，可以理解為車輛耦合程度變高，相互之間兼容性更好。綜上，在本文選定的C2C條件下，MPDB工況是一種有效的碰撞兼容性評價方法。

6 結論

車對車碰撞交通事故中影響乘員傷亡風險的關鍵因素在于相撞車輛結構的空間耦合程度、剛度匹配水平以及乘員艙穩定性，因此提升車輛碰撞兼容性對于降低整體道路交通事故傷亡率有重大意義。在文本選定的車輛條件下，MPDB工況與C2C工況碰撞兼容性表現相關性較高，證明了該評價方法的有效性。MPDB優化的關鍵在于增加機艙前端結構件與壁障正面的接觸面積、合理匹配與壁障的剛度梯度，均衡車身與壁障吸能水平。

法規的制修定對于車輛主被動安全發展有重要引導作用。未來車輛安全法規和評價規程應當不斷完善車對車碰撞、車與障礙物碰撞、車與行人及二輪車使用者碰撞的系統測評體系，推動“交通事故零傷亡”愿景早日實現。