基于全宽刚性壁障试验的车辆碰撞兼容性研究

朱海涛 杨佳璘 张斌 李向荣

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300162）

1 前言

我国交通事故统计数据显示，乘用车碰撞事故中，车对车碰撞导致的死亡人数占车祸死亡总人数的50%左右[1]。究其原因，主要是由于碰撞双方质量、刚度以及几何外形的差异，导致相关碰撞事故中，弱势方对其乘员保护不足，碰撞兼容性较差。C-NCAP及GB 11551—2014《汽车正面碰撞的乘员防护》均采用了车辆以50 km/h 的速度正面撞击刚性墙的碰撞形式，这种形式模拟的是车辆与等同车发生正面对碰的事故形态，而实际交通事故中，车辆可能会与不同车辆发生碰撞。因此，在法规及规范层面，应该对车辆碰撞兼容性进行技术约束[2]。近年来，随着汽车产品种类日趋增多，相关问题愈发突出。因此，碰撞兼容性是未来国内汽车安全领域研究的新方向。

如何准确评价汽车碰撞兼容性能，一直是国外的研究热点，但目前尚未出台统一的测评规范[3]。当前，碰撞兼容性评价指标以作用力中心（Center Of Force，COF）高度和前部等效刚度（Crush-Work Stiffness）Kw为代表[4-5]，但两者均要考虑整体载荷分布区间情况，单一指标无法有效考核车辆的兼容性能[6-8]。

本文在英国交通研究实验室（Transport Research Laboratory，TRL）均匀性指数基础上，确立了一种车辆兼容性的评价方法，并对其一致性、重复性进行验证，利用20 款车型全宽刚性壁障（Full Width Rigid Barrier，FWRB）试验结果研究被测车辆的兼容性现状，以期为我国未来相关标准、法规的制定提供依据。

2 测评方法

车辆正面碰撞兼容性能与车辆前端载荷分布特性相关，为衡量车辆前部结构作用力分布是否均衡，TRL提出了一种车辆均衡性评价方法[9-10]，相对均匀性指数RHcl用来评估车辆总体作用力的分布均衡性，其计算公式为：

式中，L为评价区域内各单元的平均力；fij为载荷单元所受的峰值力；nr、nc分别为测力墙上载荷单元的行和列数量；ni、nj分别为第i行、第j列的碰撞载荷单元。

评估区域一般选择垂直方向175～830 mm 高度、水平方向1 500 mm 宽度（以测力墙中心线为对称线）范围。RHcl越小，代表结构作用力分布越均匀。RHcl能有效评价结构件的能量传递，但是不能评估车辆碰撞结构件分布的高度和刚度，且确定评价区域时没有对应车辆尺寸的客观推导方法[11]。

为此，在TRL 评价方法的基础上，引入结构相互作用指数（Structural Index，SI），即在相应的评估区域内，通过车辆前端碰撞载荷的大小和均匀性对车辆兼容性能进行量化，SI越小，车辆的碰撞兼容性越好。SI指标包括垂直结构相互作用指数（Vertical Structural Interaction，VSI）和水平结构相互作用指数（Horizontal Structural Interaction，HSI）。

2.1 垂直结构相互作用指数

VSI用来评价车辆垂直方向上的结构性能，在相应高度区域内对载荷单元响应特性进行分析，评估区域如图1所示。VSI评价步骤为：在测力墙（测力单元尺寸为125 mm×125 mm，下端离地间隙为80 mm）第3～4 行对应的高度内进行评价，对载荷单元峰值之和VSIstep1提出限值要求；对在第2～5行对应的区域载荷峰值及分布均匀性进行加权归一化处理，得到加权归一化指数VSIstep2。

图1 VSI评估区域示意

对于VSIstep1，有

式中，Fi为行单元载荷峰值之和（第40 ms前）；Ftarget为目标行负载；xij为第40 ms前第i行第j列载荷单元的峰值。

当所测力单元载荷峰值之和小于500 kN 时，

VSIstep2由加权归一化后的变异系数CVn和碰撞载荷负偏差NDevn组成，计算过程为：

式中，α和β为权重系数，本文取值均为1；σrow(2～5)为第2～5行碰撞力峰值标准偏差；Fˉrow()2～5为第2～5行碰撞力峰值的平均值；CVrange=1 为第2～5 行CV值的范围；NDevrange=100 kN为第2～5行NDev值的接受范围。

2.2 水平结构相互作用指数

HSI 用来评价水平方向上与车辆宽度相关联区域内的结构性能。在进行数据划分处理时，将该区域分为中间、左侧和右侧3个部分。其中，中间区域覆盖4列载荷单元，两侧区域为车宽的80%覆盖区域剔除中间6列后所剩区域，图2、图3所示为HSI评估区域示意，HSIstep1在评价区域1中进行，HSIstep2在评估区域2中进行。

图2 HSI评估区域1示意

图3 HSI评估区域2示意

定义TCi为每行目标碰撞力：

式中，W为车辆宽度。

在评价车辆外围结构性能时，如果两侧评估区域边界与测量单元边界不能完全对齐，定义调整因子n为：

式中，INTEGER为整型函数。

中心区域载荷负偏差为：

两侧区域的载荷负偏差为：

与VSI 类似，HSI 评估先后在测力墙第3～4 行和在第2～5 行对应的区域内进行，结果分别为HSIstep1和HSIstep2：

3 评价方法验证

利用3 种车型，共计6 辆车对评价方法的重复性进行验证。3 种车型分别为小型车、普通乘用车和SUV，每种车型2辆车配置相同。对VSI、HSI偏差进行计算：

式中，RSD为相对标准偏差；S为标准偏差；-x为平均值。

乘员载荷准则（Occupant Load Criterion，OLC）能够对车辆正面碰撞剧烈程度进行量化评价[14]，图4中曲线斜率为上述3 种车型在6 次试验中车身对应的OLC指标。由图4 可以看出，3 种车型2 次重复试验的OLC差异分别为2.07%、0.03%和0.03%，表明车型的碰撞强度控制在较好的范围内。表1 所示为6 次试验的VSI、HSI值：对于小型车，VSIstep2的RSD值最大，为6.68%；对于普通乘用车，HSIstep2的RSD值最大，为6.08%；对于SUV 车型，VSIstep2的RSD最大，达到7.97%。

图4 6个车型的OLC指标

上述分析表明，利用VSI指标和HSI指标对车辆的兼容性进行评价，能够使RSD指标控制在8%范围内，证明了评价指标的稳定性和可重复性。

4 车型评价结果

利用测力墙（见图5）采集100%正面碰撞中20款车型前端的碰撞载荷，其中包括3 辆小型车、12 辆普通乘用车和5 辆SUV。测力墙由128 块125 mm×125 mm 的载荷传感器组成，其下端离地间隙为80 mm，数据滤波频率采用CFC60。为减少发动机等部件在碰撞过程中对结构作用力的影响，在计算SI 时，使用碰撞过程前40 ms内的载荷数据。图6所示为测试车型车宽及水平评估区域示意。

4.1 VSI指数分析

VSIstep1在离地330～580 mm 高度区域内评估。与美国辅助吸能结构（Secondary Energy Absorbing Structures，SEAS）测试性质类似，要求车辆在第3行和第4行上的碰撞峰值和大于Ftarget，因此VSIstep1期望值为0。20辆车型的评价结果如图7所示，由图7可看出，仅有4辆普通乘用车不满足这一要求，占评价车型总数的20%。

表1 评价方法偏差分析

图5 FWRB碰撞测力墙示意

图6 测试车型车宽及水平评估区域

图7 测试车型VSIstep1值

VSIstep2在离地205～705 mm 高度区域内评估。图8所示为20 个车型的评价结果。由图8 可看出，在构成VSIstep2的变异系数和碰撞载荷负偏差2 个指标中，变异系数对VSIstep2的贡献率更大。图9所示为测试车型在第2～5行高度上载荷峰值CV值。与小型车和普通乘用车相比，SUV间的CV值偏差更大，表明不同的SUV在均衡性指标上存在更大差异。图10所示为测试车辆在第2～5行上的载荷负偏差。NDev值主要出现在第2行和第5行，小型车在第5行NDev值更大，而普通乘用车和SUV在第2行上NDev值偏大。

VSI评价结果表明：在第1 步评估区域内，80%的车型能够满足碰撞强度要求；在第2 步评估区域内，小型车第5行上的NDev值偏大，应加强水箱框架上横梁-上纵梁-A 柱上路径能量传递和吸收，SUV 的第2 行NDev值偏大，需加强副车架-车轮-门槛下路径的能量传递和吸收，同时，在所有车型中，SUV 的载荷分布均衡性差异最大，可见其前端部件整体能量传递性能有改进的空间。

图8 测试车型VSIstep2值

图9 测试车型第2～5行峰值载荷CV值

图10 测试车型第2～5行载荷峰值NDev值

4.2 HSI分析

在HSI评估区域内，车辆横梁所处位置与中心区域对应，纵梁所处位置与两侧区域对应。车辆前端结构在125 mm×125 mm 单元上承载的碰撞力峰值以TC值为目标。

图11 和图12 所示分别为20 个车型的HSIstep1和HSIstep2。在HSI对应的评估区域内，70%的车辆（14个车型）中心区域内的载荷负偏差比两侧大，代表中心横梁处的碰撞承载能力偏弱。因此，为了使横梁与纵梁之间的传力路径更清晰，以得到质量分布均匀的结构，应增强横梁及关联部件的刚度，保证车辆前端抗撞结构的刚度和导向性能的协同。

图11 测试车型HSIstep1值

图12 测试车型HSIstep2值

图13和图14分别为HSIstep2对应的载荷负偏差值分布情况。车辆在第3行和第4行上的整体NDev值偏大，因此在增强横梁刚度的同时，应适当提高包括纵梁结构在内的车辆侧向刚度。

图13 中心区域HSIstep2对应的载荷NDev值

图14 两侧HSIstep2对应的载荷NDev值

4.3 结构相互作用指数

图15所示为评测车型SI指标分布情况。从车辆前端载荷在水平/垂直方向上的分布指数来看，VSI较小，代表车型在垂直方向上载荷分布性能良好，在水平方向上的2个评估区域内，不同车型HSI值差异大，载荷横向分布性能差异较大，SUV车型尤为明显。因此需综合考虑包括横梁在内的整体传力路径，优化构件间的溃压模式及刚度。

图15 测试车型对应的SI值

5 结束语

针对车辆的碰撞兼容性能，本文确立了一种基于测力墙应用的FWRB测试方法。在划定的评估区域内，对车辆前端碰撞载荷进行偏差分析，使用加权归一化指数来评估车辆碰撞载荷在水平和垂直方向上的传递情况，以及传力方式与车辆前端刚度的协同情况。通过3 款车型的6次试验，对测评方法的有效性进行了验证。以20个车型为样本进行了试验分析，结果表明，在垂直方向上离地330～580 mm 的区域内，80%的车辆前端结构能满足碰撞载荷要求，而在水平方向上，车辆横向能量传递性能整体上仍需加强，SUV的表现更为明显。