2020版E-NCAP MPDB碰撞研究

颜海棋，钟利伟，喻俊成，姜伟

2020版E-NCAP MPDB碰撞研究

颜海棋，钟利伟，喻俊成，姜伟

（江苏敏安电动汽车有限公司南京分公司安全开发部，江苏 南京 211102）

2020版E-NCAP将采用MPDB碰撞替代现行的ODB碰撞工况。为研究新工况下的车辆碰撞安全性，采用仿真分析手段，以不同重量的车型为研究对象，开展包括OLC、SD以及击穿罚分的分析，寻求相应的设计策略。研究表明：新工况对小质量车型及大质量车型的影响较大。针对分析结果，总结出相应的设计建议，为新车型的MPDB碰撞安全性能设计提供参考。

MPDB；碰撞；车对车；安全性能

前言

随着安全事故研究的深入，不断总结出更加贴近汽车安全事故真实形态的碰撞形式，比如车辆的40%重叠偏置可变形壁障碰撞（也称为ODB碰撞）从最初的56km/h提升到64km/h，再到现在欧洲新车评估组织即E-NCAP提出的MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier）碰撞，从原来的车与固定壁障的碰撞升级为车与带壁障的移动小车之间的相互碰撞，更加真实地模拟车辆前部碰撞安全事故，即车对车碰撞，而不是车与固定物碰撞。此外，E-NCAP将于2020年1月开始实施MPDB碰撞。

以前主要针对车辆前部碰撞评估主要考虑车内乘员的伤害情况，即对车给予自车造成什么伤害，而未考虑自车给对车会造成什么影响，比如自车相对于对车来说是否更加具有攻击性（或叫侵略性）。而在实际过程中，当大SUV车或质量较大车型等与中等质量车型发生碰撞时，质量相对较轻的车型是弱势群体，比如结构侵入较大等。

此外，ADAC事故研究数据显示，当车辆的支撑结构不能起到作用时可能导致较为严重的伤害事故。同时，为了确保优化碰撞保护，有必要要求车辆支撑结构在碰撞中被撞击，并且压溃区吸收主要碰撞能量从而使得乘员舱结构稳固和完整。当然，也有纵梁未被撞击或者前横梁连接失效的情况，这两种情况容易导致压溃区不能被充分用来吸能并且也会导致乘员舱变形，进而减少乘员生存空间，导致更加严重的乘员伤害。

本文结合MPDB壁障CAE分析模型开展结构影响分析研究，并结合部分车型实际情况进行验证，得出相应的设计建议，便于各大主机厂设计人员在开发设计中兼顾MPDB碰撞安全的性能设计。

1 MPDB碰撞试验工况

1.1 试验方法

车辆与MPDB壁障小车互相以50km/h的速度进行碰撞，重叠量为50%，壁障小车质量为1400kg，壁障离地高度为150mm，在试验车辆的驾驶员位置放置50百分位的THOR假人，乘员位置放置50百分位的Hybrid Ⅲ假人，后排分别放置Q6和Q10儿童假人，碰撞形式如图1所示。

图1 碰撞形式

壁障结构如图2所示，主要由吸能块和连接板组成。不同的吸能块其强度不一致，具体强度分布为吸能块C＜吸能块B＜吸能块A。

图2 壁障结构组成

1.2 评价指标

1.2.1 伤害值评价

主要包括试验车辆内部的4个假人伤害值评价，涉及驾驶员、乘员、后排儿童。其中驾驶员伤害指标包括头、颈、胸、腹、骨盆、大腿、膝盖、小腿和脚，乘员伤害指标包括头、颈、胸、大腿、膝盖、小腿和脚部。

1.2.2 兼容性评价

从2022年1月1日开始，兼容性评价会有最大8分的罚分应用于总的试验得分。2020年和2021年，兼容性评价的最大罚分为4分。兼容性评价基于三个参数：试验后壁障变形情况、乘员载荷标准OLC和壁障表面击穿情况。

壁障变形评估采用试验后壁障变形测量的标准方差SD的方式，SD值高性能指标为50mm，低性能指标为150mm。

乘员载荷标准OLC经由MPDB壁障小车上所测加速度转化而来，滤波后的加速度按照下面的方程被积分用于获得壁障的运动过程：

式中：0为壁障在0时刻的初始速度，A为MPDB壁障小车加速度。

OLC通过以下方程计算求得：

式中：1为真实假人自由飞行阶段向前移动65mm的时间，2为真实假人约束阶段向前移动235mm时的时间（在自由飞行阶段之后），即300mm为真实假人的运动距离，用图像表征如图3所示。

图3 OLC计算图像

乘员载荷标准OLC的高性能指标为25g，低性能指标为40g，其中g为一个重力加速度。

壁障表面击穿情况的判断标准如下：在评估区域内（如图4所示），当壁障表面侵入量达到630mm，而且这个区域的面积大于40X40mm。当击穿发生，将会有2分的罚分施加给壁障变形和OLC罚分。

图4 评估区域

兼容性评价中的得分评价参考如图5所示，包括OLC以及SD和击穿。

图5 兼容性评价的得分评价参考

2 MPDB与其他碰撞工况差异

2.1 车体响应

2.1.1 碰撞波形

结合大中小（大车：SUV，约1800kg；中等质量车：轿车，约1400kg，小车：轿车，约1100kg）三个车型展示碰撞波形的变化，具体情况如下，分别包括50km/h刚性壁障碰撞（简称FRB）、40%重叠的64km/h可变性壁障碰撞（简称ODB）以及MPDB碰撞。

图6 小车车体碰撞波形

图7 中等质量车的车体碰撞波形

图8 大车的车体碰撞波形

从图6、7、8可以观察出MPDB碰撞中车体自身碰撞波形与FRB较为接近，但总体会存在差异，包括加速度峰值大小、出现时刻、脉宽等。其与ODB碰撞形式差异巨大，所以在车型设计时需要重点关注约束系统匹配及气囊控制器标定中新增MPDB工况的标定。

2.1.2 变形侵入

在上述大中小车型的三种碰撞工况下，最大变形侵入情况也出现较大差异，详见表1所示。

表1 前围变形差异

可见，MPDB碰撞中，小车中容易导致最大变形侵入增加，中等车型中基本持平，大车中反而减少。这种差异表现要求小车在纵梁根部以及前围支撑设计中进行适当加强。按照此种设计理念，可以增加小车在MPDB碰撞中的碰撞得分，符合推出兼容性评价的目的，以达到改善车辆的碰撞兼容性。

2.2 假人响应

在25次ESV会议收录的研究论文中，Chang Min, Lee等人开展了试验研究，假人头颈胸以及大腿、小腿等都不同程度地出现较ODB碰撞更高的伤害。

结合图6、7、8的车体碰撞波形结果，可以观测出MPDB碰撞试验波形与FRB、ODB不同，且车型未标定过MPDB气囊点爆工况，从而导致不能在合理的点火时刻点爆预紧安全带和气囊；此外，由于MPDB碰撞试验波形与FRB、ODB的差异，尤其是与ODB碰撞工况的差异，需要重新开展约束系统匹配，诸如点火时刻、安全带限力等级、气袋刚度或袋形等。

3 车型MPDB碰撞分析

3.1 兼容性评价罚分情况

结合大中小（大车1：SUV，约1800kg；大车2：轿车，约1700kg；大车3：轿车，约1700kg；中等质量车：轿车，约1400kg，小车：轿车，约1100kg）三个车型开展MPDB碰撞分析，总体罚分情况统计如表2所示。

表2 罚分情况

表2中的大车1由于纵梁和全框式副车架强度匹配合理，使得SD罚分较少，但由于总体强度仍处于较高水平，使得壁障有击穿现象，带动最终罚分值变大并超过3分；大车2由于纵梁和全框式副车架强度匹配不合理，导致SD值罚分大，配合OLC的高罚分以及击穿壁障的情形发生，最终罚分值达到6.13分；中车和小车由于OLC值较小，且未有击穿现象，从而无论SD值较大与否，总体罚分都不高。可见OLC对罚分的影响很大。

3.2 OLC影响分析

从OLC对总体罚分影响大的角度出发，考虑有无明显降低OLC值的方法，开展相应的数值仿真分析。

3.2.1 质量对等MPDB碰撞

如图9，用MPDB壁障模拟质量对等车型相互碰撞，查看车辆与壁障之间加速度情况，最终两车加速度一致，OLC值为27.6g，罚分0.35分。

图9 质量对等MPDB碰撞

3.2.2 1100kg与MPDB碰撞

调整MPDB壁障和移动小车质量到1100kg，模拟轻车与MPDB移动小车相互碰撞，查看车辆与壁障之间加速度情况，在模拟轻车和MPDB壁障吸能结构一致的情况下，两者加速度互为重量线性关系，即轻车加速度为MPDB壁障加速度乘以1400/1100的关系，如下图所示。另外，OLC为24.2g。

图10 模拟轻车MPDB碰撞加速度曲线

3.2.3 1700kg与MPDB碰撞

调整MPDB壁障和移动小车质量到1700kg，模拟重车与MPDB移动小车相互碰撞，查看车辆与壁障之间加速度情况，在模拟重车和MPDB壁障吸能结构一致的情况下，两者加速度互为重量线性关系，即重车加速度为MPDB壁障加速度乘以1400/1700的关系。OLC为30.1g。

此外，结合3.2.1和3.2.2，车辆和壁障的加速度曲线如图11所示。

图11 车辆和壁障加速度曲线

3.2.4 调整车辆前端吸能强度

针对模拟轻车（1100kg）、模拟等质量车（1400kg）、模拟重车（1700kg），调整模拟车辆的前端吸能强度，通过加强或减弱（调整模拟车辆中的壁障B和C吸能块强度），观察OLC值变化情况。通过调整吸能块的材料属性来调整吸能强度，并经过吸能块的静态压溃试验模拟，即在静态压溃中强度分别提高约1700/1400倍，或者降低约1400/1100倍。根据以上模拟，分析结果总结如下表所示。

表3 OLC结果

如表3所示，简单的通过改变吸能强度很难有效降低OLC值，从而对最终降低OLC罚分影响甚小。同时，增强车辆前部的吸能强度会增加OLC值，所以在车型设计过程如果为了适当降低OLC值提高车辆的兼容性，针对重车或等质量车尤其是重车需要适当降低车辆前部的吸能强度。以下仅列举模拟轻车的MPDB壁障加速度情况，如图12所示。

3.2.5 调整车辆前端吸能长度和强度

由于本身小车的OLC值较小，在此分析中仅开展等质量（1400kg）和重车（1700kg）的情况，具体方式依旧采用模拟车的方式，把前部吸能块中的B块加长200mm，同时把B块的强度降低到0.7倍的强度，吸能块总体吸能能力基本对等，以此来尝试对OLC值的影响程度，详见表4。

表4 OLC结果

可见，前悬长的车辆如果在吸能强度匹配合理的情况下，容易收获比较低的OLC值。

3.3 SD影响分析

根据Heiko Johannsen 和 Robert Thomson在2016年IRCOBI会议论文中的描述，通过对本田、雷诺、大众的评估试验后发现，车辆自身保护效果差的情况下SD值好，自身保护效果好的情况下SD值差。

3.3.1 模拟车分析

基于以上描述，开展SD值的影响分析，重点针对模拟重车和模拟等质量车。对于模拟重车，分别采用调整车辆前下部吸能结构（类似非全框式副车架的情况，模拟车的前部吸能块中的C块下部挖掉220mm）或调整离地高度（增加两车的错位程度，离地高度增加50mm），又或是3.2.5中提到的减弱方式。

对于模拟等质量车，由于实际车型中离地高度相差不大，所以仅考虑调整车辆前下部吸能结构和3.2.5中提到的减弱方式两种情形。

分析结果详见表5。

表5 SD结果

从表5得出如下结论，对于等质量车型，由于纵梁离地高度不会有太多差异，在前部吸能强度与壁障相差不大的情况下，从而在挖块（类似无全框式副车架的效果）时对实际结果影响较小；如果吸能强度减弱（采用加长吸能结构并减弱吸能强度的方式），则对结果影响较大，所以前部吸能结构在加长情况下需要考虑SD值的优化。对于重车车型，在未考虑离地高度增加的情况下的规律与等质量车型类似；当考虑离地高度增加（比如大SUV车型）后，SD值升高超过100mm，并且对于挖块（类似无全框式副车架的效果）时SD值较基础亦有增加。

3.3.2 实际车型分析

与3.3.1区别的是，在此处开展实际车型的分析，包括约1400kg中等质量的轿车、约1700kg的轿车1、约1700kg 的轿车2、约1800kg的SUV车型，实际计算结果如下表所示。经过对比分析，车辆带全框式副车架较非全框式副车架的情况下其SD值可以显著降低；对于带全框式副车架的情况下车型SD值仍偏高的主要原因包括以下几点：（1）前吸能盒及纵梁强度与副车架强度匹配不合理，可适当降低纵梁强度；（2）无吸能盒结构；（3）右侧纵梁在MPDB碰撞中无折弯变形，使得总体碰撞强度过大；（4）纵梁外侧无前横梁延伸结构，从而在MPDB碰撞中无法有效分解碰撞力，使得MPDB壁障被纵梁挤压后产生断崖式深入挤压。

表6 SD结果

4 设计建议

如图13所示，假设左框为对方车辆，右侧为自身车辆，两车相撞时如果有全框式副车架，那么图中的方框能够有比较好的重叠区域，即碰撞承力结构有重叠，能够达到较好的碰撞兼容性目的。如果缺少全框式副车架，则主要碰撞承力结构即为纵梁，如果当车辆离地高度较大的情况下，则两车碰撞承力结构或错位或重叠量比较少，这种情况下车辆的兼容性极差。

图13 车辆前部碰撞结构示意

在前横梁设计时，尽可能向纵梁外侧延伸，如图14所示为本田civic车型的设计。

图14 本田civic车型横梁示意

尽可能采用带吸能盒设计，并且在右侧纵梁位置设计折弯筋，便于在MPDB碰撞中右侧可以发生折弯，如图15所示；为避免吸能盒在折弯过程中失效，可以考虑采用类似如图16的吸能盒连接设置。

图15 折弯及吸能盒示意

图16 吸能盒设计示意

此外，对于质量相对较小的车型，在MPDB碰撞中容易导致前围变形量增加，在车型设计中应适当降低前围变形量，以避免脚部出现严重伤害的情况。

如果车辆前悬长度可以适当加长，有利于明显降低车辆的OLC值，可以作为车型设计参考。

5 结论

为提高车辆的MPDB碰撞性能，车型在设计过程中需要有针对MPDB碰撞性能的结构设计和考虑，诸如小质量车型，需要重点考虑提高脚部防护的结构设计；大质量车型在设计过程中需要重点考虑SD值的优化，即以SD值的优化为主，包括纵梁及副车架强度的匹配、吸能盒以及前横梁的设计等。中等质量车型视实际得分情况再确定是否对SD开展优化。

由于时间仓促，目前还未考虑无全框式副车架情况下的SD值优化，下一步将重点开展这方面的研究。

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Research on 2020 E-NCAP MPDB Test

Yan Haiqi, Zhong Liwei, Yu Juncheng, Jiang Wei

( Automobile Engineering Technology Research Institute, Nanjing Branch Jiangsu MINAN Automotive Co., Ltd, Jiangsu Nanjing 211102 )

E-NCAP proposes to use MPDB test in 2020. In order to study the impact characteristics under the new testing type, taking vehicle of different mass as the research object, and use simulation method for analysis of OLC, SD, bottoming out, etc. The research shows that the influence of small and large-size vehicles is great. Based on the analysis results, sums up some corresponding design suggestions, which can provide references for safety design of MPDB impact.

MPDB; Impact; Car to car; Safety performance

B

1671-7988(2019)21-104-06

U467

B

1671-7988(2019)21-104-06

颜海棋，硕士，高级工程师，就职于江苏敏安电动汽车有限公司南京分公司，研究方向：被动安全性能开发。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.037

CLC NO.:U467