基于MPDB工況的整車兼容性指標優化

邢志遠

（東南（福建）汽車工業股份有限公司，福建 福州 350119）

隨著國內外汽車安全水平的不斷提升，整車安全性能需要不斷地加強，以應對日益嚴格的汽車安全法規。但原有法規僅僅關注整車自身安全性能，無法兼顧到不同級別的車輛之間的碰撞兼容性問題[1]。2022 年，朱西產在國內首次提出了碰撞相容性的概念[2]，碰撞兼容性是指汽車在發生碰撞過程中互相包容的能力。同濟大學的雷雨成根據交通事故，進行統計分析，提出了影響整車碰撞相容性的主要原因[3]。提高碰撞相容性可以在碰撞過程中減少自身乘員所受到的損傷，同時也可以將對方車輛中的乘員造成的損傷降到最低，進而將整個事故的人員傷亡降到最低。

故在2021 版中國新車評價規程（China-New Car Assessment Programme, C-NCAP）中明確了使用移動漸進變形壁障碰撞試驗（Mobile Progressive Deformable Barrier, MPDB）工況取代原有的重疊可變形屏障（Overlapped Deformable Barrier, ODB）工況[4]。其目的在于督促汽車廠商在提升車輛自身安全性能的同時，減少對其他車輛的攻擊性，進而提升整體的車輛兼容性水平，達到不同質量等級的車輛和諧一致的目標。而在正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗中，壁障變形量標準偏差（Standard Deviation, SD）與乘員載荷準則（Occu-pant Load Criterion, OLC）作為評價試驗車型碰撞兼容性水平的重要指標。本文將基于某款中型運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle,SUV）車型進行碰撞兼容性仿真分析，進行碰撞兼容性指標優化。

1 正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗簡介

在2021 版C-NCAP 中的MPDB 工況采用質量為1 400 kg 的移動試驗壁障與試驗車輛進行正面偏置對碰，速度均為50 km/h，重疊率為50%，如圖1 所示。

圖1 C-NCAP 中MPDB 工況圖

其中試驗車輛假人布置情況如表1 所示。

表1 C-NCAP MPDB 試驗車輛假人布置

2 整車兼容性指標

在MPDB 工況中，將SD 與OLC 作為評價試驗車型兼容性水平的重要指標。

2.1 壁障變形量標準偏差SD 定義

計算壁障變形量標準偏差，主要分為四個步驟。

2.1.1 明確壁障評估區域

首先需要明確壁障評估區域，如圖2 所示。

圖2 MPDB 壁障評估區域圖

2.1.2 掃描壁障

試驗后掃描變形壁障，生成最大單元尺寸不大于10 mm 的網格。

2.1.3 計算侵入量

依照試驗前在壁障表面上創建的以20 mm 為邊長的等距網格點（總共1 400 點）。沿著碰撞方向將網格點投影到變形壁障表面上，計算評估區域每個點的侵入量。

2.1.4 標準偏差計算

式中，SD為標準偏差，mm；Xn為樣本點，mm；為平均侵入深度，mm。

2.2 乘員載荷準則OLC 定義

通過MPDB 壁障重心的X向加速度Ax積分獲得MPDB 壁障的速度曲線Vt：

式（2）中

式中，V0為壁障初速度，m/s；V(t)為壁障速度曲線，m/s；t1為碰撞過程中虛擬假人相對壁障運動0.065 m 的時刻，s；t2為碰撞過程中虛擬假人在相對壁障運動0.235 m 的時刻，s；OLC值為碰撞過程中虛擬假人t1至t2時刻速度曲線斜率，m/s2。

假設MPDB 壁障臺車上一個虛擬假人，其在0～t1時間段內勻速自由向前移動65 mm，之后該虛擬假人開始受到約束系統作用，在t1～t2時間內向前做勻減速運動，相對壁障臺車移動235 mm 時對應時刻為t2。t1至t2時間內假設虛擬假人受約束的減速度是恒定的，定義該值即為OLC。

3 仿真優化分析

本文以某中型SUV 進行C-NCAP 2021 版MPDB 工況仿真分析，如圖3 所示。車型基本信息如表2 所示。

表2 車型基本信息表

圖3 某中型SUV-MPDB 仿真分析

3.1 初版分析結果評價

根據C-NCAP 2021 版MPDB 工況分析評價規程，針對壁障變形量標準偏差SD值、乘員載荷準則OLC值這兩個方面，進行結果分析與評估。

從表3 可以看到，初始案的SD值為149 mm，OLC值為32.667g，且壁障出現觸底擊穿，最終罰分為2.508，罰分率為83.6%，無法滿足該車型2021版C-NCAP 五星要求。

表3 初始案-MPDB 工況評分匯總

從圖4、圖5 的碰撞前后車身變形結果可以看到，車身縱梁由于剛度過大，碰撞過程無法壓潰吸能。

圖4 初始案-碰撞前車身變形圖

圖5 初始案-碰撞后車身變形圖

從圖6 可以看到，由于車身縱梁過硬與車身前端剛度不匹配，導致壁障偏向一側的過渡形變，無法均勻吸能，在圖7 中右上角出現了大面積的過渡區域，SD值為149.75 mm，造成嚴重扣分。

圖6 初始案-壁障變形圖

圖7 初始案-SD 云圖

3.2 碰撞兼容性優化方案

根據歐洲MPDB 試驗統計研究[5]可以得到SD與OLC 兩者與整車重量的相關性研究成果，即SD與整車整備質量增減無明顯關系，而OLC 與整車整備質量成正比，并呈現主相關性。故依照該相關性研究成果，并結合3.1 初版分析評價結果，制定以SD 為主、OLC 為輔的碰撞兼容性優化方案。具體優化方案如下。

3.2.1 增加副防撞梁與副縱梁，增加車體下部底盤

吸能路線

目的是盡可能增加主車前端與壁障之間的Y向有效接觸面積，如圖8 所示。

圖8 副防撞梁與副縱梁示意圖

3.2.2 根據2.1.1 圖2 壁障評估區域，重新布置車身主副防撞梁位置

目的是增加主車前段與壁障評價區域之間的接觸面積，如圖9 所示，Y向延長主副防撞梁，Z向調整主副防撞梁位置，依照縱梁高度限制條件（＜508 mm）與壁障評價區域下端距離（100 mm）進行布局，設置L1=95 mm，L2=120 mm，L3=L4=20 mm。

圖9 副防撞梁位置示意圖

3.2.3 重新布置凹凸筋、增減板厚、調整材料分布

目的是實現縱梁軟化與分段式折彎，提升碰撞吸能量，防止擊穿壁障。

調整車身前縱梁內板A 的激光拼焊位置，更改零件A-1 的板厚與材料，即由B410LA 2.2 mm改為B340LA 1.8 mm。在零件A-1 板件后端增加兩處凹筋，如圖10 所示。

圖10 車身前縱梁內板

在車身前縱梁外板B 的前端增加兩處凹筋，并設置激光拼焊，將零件B 拆分成前后組合（B-1，B-2），即B340-590DP 2.0 mm 拆分成B340-590DP 2.0 mm + B340-590DP 1.8 mm，如圖11 所示。

圖11 車身前縱梁外板

3.3 仿真結果驗證

根據3.2 中制定的碰撞兼容性優化方案，修改整車碰撞仿真模型，進行計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析計算。從圖12可以看到，優化后車身縱梁在碰撞過程中得到了充分的潰縮吸能，呈現三段式折彎。

圖12 優化案-縱梁變形

由于縱梁的軟化，壁障無觸底擊穿，如圖13所示。壁障評價區域與主車前部充分接觸，均勻變形，無過渡變形區域，如圖14 所示。

圖13 優化案-壁障變形圖

圖14 優化案-SD 云圖

通過表4 結果匯總可以看到，優化后SD值從149.75 mm 降低至67.46 mm，降低了55.7%。OLC值雖然主要與整車質量相關，但通過車身軟化，依然有小幅度的降低，從32.667g降低至31.045g。合計罰分為0.575 分，罰分率為19.2%，該結果滿足2021 版C-NCAP 五星要求。

表4 優化案結果匯總

4 結論

本文聚焦2021 版C-NCAP MPDB 試驗工況，通過修改車身結構來優化壁障變形量標準偏差與乘員載荷準則，并進行CAE 仿真計算驗證，從而改善整車碰撞兼容性罰分，達成車型開發目標。通過仿真優化結果，可得以下結論：

1）提升主車與壁障的有效接觸面積與主車接觸面的剛度平衡，可有效提升SD值；

2）雖然OLC 主要與整車質量相關，但通過車身結構優化，依然可以得到改善；

3）本文通過CAE 仿真計算驗證了車身優化的合理性，后續還需要試車試驗進一步驗證。