一种针对C⁃NCAP中MPDB工况碰撞兼容性的优化方法

宋和平，徐伟涛，刘广喜，何戈博，袁立德

（1.宁波吉利汽车研究开发有限公司长兴分公司，长兴 313100；2.宝能（西安）汽车研究院有限公司，西安 712000；3.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

前言

在世界卫生组织WHO 发布的2018《全球道路安全状况报告》中指出，每年有大约135 万人死于道路交通事故，同时还有3 000万～5 000万人因交通事故而受损，交通事故对各国造成的损失可达GDP 的3%左右［1］，汽车交通事故已经成为一项重要的死亡因素［2］。

基于以上原因，对汽车安全方面的研究就显得尤其重要。中国新车评价程序（China new car assessment program，C⁃NCAP）作为国内汽车安全评价的重要依据［3］，旨在通过各种道路碰撞类型对新上市的车型进行评价，以此来向消费者提供新车的碰撞安全等级。正是由于国家各种安全法规和C⁃NCAP的持续更新，推动了各大汽车厂商加大对汽车安全领域的研发，保证了我国汽车安全性能的不断提高。

1 优化汽车结构的需求和背景

C⁃NCAP 每3 年更新1 次，当前各车企遵行的是2018 年版的C⁃NCAP，其中乘员保护中的碰撞类型有50 km/h 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验、64 km/h 正面40%重叠可变形壁障碰撞试验（offset deformable barrier，ODB）、50 km/h 可变形移动壁障侧面碰撞试验和鞭打试验。而在2020年5月发布的最新C⁃NCAP（2021 年版）意见征集稿中，将64 km/h ODB 的试验调整为50 km/h 正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验（mobile progressive deformable barrier，MPDB）。相比于64 km/h ODB 试验，50 km/h MPDB 的壁障类型、碰撞速度、碰撞假人数量和类型都进行了调整。因此为保证2021 年下半年以后上市的车型获得较高的C⁃NCAP 安全等级，对车身结构进行适当的优化和调整，就显得意义重大。

基于以上背景，本文中提出一种优化轿车结构的方法，为行业其他车企提供参考，共同促进乘员安全等级的提高。

2 针对MPDB优化的方向

MPDB 工况的基本示意图如图1 所示。试验车和壁障台车分别以km/h 的速度相向而行，且二者的重叠区域为试验车宽的50%，试验车驾驶员位置放置THOR 50 百分位男性假人，前排乘员座和第二排座椅左侧各放置一个Hybrid Ⅲ5百分位女性假人，第二排座椅右侧放置一个儿童约束系统和一个Q10儿童假人。

图1 MPDB工况示意图

对于假人的评分和优化方向，可沿用以前优化64 km/h ODB 的策略进行适当调整和修改。对这类优化方法，各车企已有较为成熟的CAE 分析方法和优化方式，此处不做具体阐述。重点提一下C⁃NCAP（2021 年版）相比C⁃NCAP（2018 年版）增加的一个考察指标——碰撞兼容性。它不仅考察自身车辆的耐撞性，还要考虑对另一车辆的损害性，也即自身车辆的攻击性［4］。

C⁃NCAP（2021 年版）的碰撞兼容性主要考察4个指标，如表1 所示。其中标准偏差（standard deviation，SD）指的是蜂窝铝壁障面上某个特定的评估区域内，样本单元偏离平均值的程度，如果SD 越大，代表数据离散程度越高。

台车上乘员载荷准则（occupant load criterion，OLC）指的是碰撞过程中某指定时间区间内，台车虚拟假人受约束的减速度，可以理解为试验车辆对另一辆碰撞车乘员的损害度，也就是试验车辆的攻击性。

壁障侵入深度指在特定的评估区域内MPDB 壁障的穿透深度。当深度达到630 mm 的面积大于40 mm×60 mm时定义为触底现象。

壁障侵入高度指前述的特定评估区域的上部区域，MPDB 壁障的压溃受力情况，用应力云图的衰减趋势来进行评估。

表1 MPDB碰撞兼容性评价指标

因为MPDB 碰撞兼容性的得分约占MPDB 总得分的29.2%，且是在C⁃NCAP 中首次提到的概念，所以对此部分的研究显得尤其重要。虽然国内外很多学者已对碰撞兼容性进行了一些研究［4-7］，但这些研究主要是针对欧洲的Euro⁃NCAP 或日本的JNCAP，或针对角度碰撞的兼容性［8］进行的，和C⁃NCAP 中定义的指标考察项存在差异，专门针对C⁃NCAP 中的碰撞兼容性的研究相对较少。因此对此部分的深入探讨将对行业内其他研究人员优化车身结构很有参考价值，结合CAE 分析结果和实际的优化方案进行介绍。

3 优化方法的实现与结果分析

以吉利某在研车型进行优化方法的实现与分析。此车型基本信息如下：A 级三厢型轿车、传统燃油车、整备质量1 296 kg，最大允许前轴荷919 kg，车宽1 809 mm，预计上市时间2021年下半年。

首先使用原来针对C⁃NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 工况的仿真模型，未做任何修改应用到50 km/h MPDB 工况中，碰撞前后对比如图2 和图3所示。

图2 碰撞前效果图

图3 结构优化前的碰撞效果图

其中用青色标记出碰撞的主要受力传递路径。受力路径上的主要关键零部件有：前防撞梁、驾驶员侧吸能盒、水箱框架和驾驶员侧主纵梁等。

从图3 的碰撞结果中可以看出，前防撞梁发生折断，水箱框架发生损毁，驾驶员侧主纵梁轻度变形，对应的MPDB应力云图如图4所示。

图4中的矩形边框内就是按照C⁃NCAP（2021年版）规定的评估区域，此区域按照如下方式定义：下边界离地面250 mm，上边界离地面650 mm，右边界距离MPDB 壁障面右侧边缘200 mm，左边界距离MPDB 壁障面右侧边缘的距离是试验车辆宽度的45%。

图4 结构优化前的应力云图

MPDB 蜂窝铝壁障划分为50×28=1400 个等距方网格，方格边长20 mm 应力云图内不同颜色表示壁障的侵入深度：小于320 mm 的网格标为绿色；介于320～480 mm 的网格标为黄色；介于480～630 mm的网格标为红色；超过630 mm的网格标为青色。

从图4 可以看到，评估区域内出现一定面积的青色区域，说明发生了表1 中壁障侵入深度“触底”现象，造成了较严重的扣分。

分析此优化前结构在C⁃NCAP（2021 年版）中失效的原因，主要在于驾驶员侧主纵梁轻微变形，主纵梁侵入蜂窝铝中评估区域，击穿了蜂窝铝；另外因为前防撞梁的断裂，碰撞时的加速度和能量无法通过防撞梁传递到车身非碰撞侧（前排右侧）进行能量均衡吸收，主纵梁的结构过于刚硬。评估区域内除产生青色区域外，还有大面积的红色区域，说明结构优化前对MPDB 的碰撞兼容性扣分较多，汽车表现出较强的“攻击性”。

通过对表1 中列举的MPDB 衡量指标，结构优化前的SD 值为191.1 mm，OLC 值为31.3g，加上壁障侵入深度的触底扣分和壁障侵入高度的扣分，总计4.84分，扣分达到69.1%，无法达到本车型C⁃NCAP的预期目标。

另外通过实车碰撞，验证CAE 仿真的真实性和可靠性，碰撞后车身结构实物和MPDB 壁障实物如图5和图6所示。

图6 优化前实车MPDB壁障碰撞图

从图5和图6中可以看到，实车的前防撞梁发生折断，MPDB 壁障也因驾驶员侧主纵梁的原因，发生了击穿，即“触底”现象。实车的OLC 值是30.2g，模型仿真与实车相差3.5%，实车碰撞结果验证了CAE模型的有效性和合理性，可以用CAE 的分析结果近似代表实车的碰撞结果。

考虑前面分析在C⁃NCAP（2021 年版）中失效的原因，以及导致碰撞兼容性差的不合理结构，为达到优化结果的目的，拟从如下几个方面进行优化：

（1）避免MPDB 壁障出现局部较大的侵入，尽量使碰撞面整体均衡溃缩，也就是减少网格点相对于平均值的离散程度，即减小SD值；

（2）提高前防撞梁的强度，保证碰撞过程中尽量不发生折断，目的是使碰撞能量传递到非碰撞侧（前排右侧），做到能量的均衡吸收与传递；

（3）延长和更改吸能盒结构，使吸能盒能吸收尽量多的碰撞能量；

（4）优化碰撞侧主纵梁结构，减弱其X 向的强度，避免出现壁障击穿，即触底现象。

基于以上优化的考虑，经过多轮的仿真与实车验证，确定的车身优化的方案如图7 所示，具体说明如下。

（1）更改左右两端吸能盒的吸能结构，厚度从原来的1.6 mm 加厚到1.8 mm，并适当延长，每个吸能盒增加质量0.2 kg，共增加质量0.4 kg；

（2）前防撞梁的左侧（碰撞侧）适当延长，增加质量0.16 kg；

（3）优化两侧主纵梁的结构，局部剪短，弱化其X向的强度，总共减质量0.337 kg。

将优化后的车身结构再次进行MPDB 碰撞仿真，结果如图8 所示，对应的应力云图见图9。结合表1中CNCAP⁃2021定义的碰撞兼容性评价指标，优化前后分数对比见表2。

图7 优化方案前后对比

图8 结构优化后的碰撞效果图

与图3优化前的结果相比，从图8中可以明显看出如下改善：

（1）前防撞梁没有发生折断，且整体变形比较均匀，直接的好处就是减小了SD 值，另外的优点是前碰撞传感器被损坏的概率大幅降低，更利于安全气囊控制器ACU 感知到前碰撞传感器的信号［9］，以合理弹出安全气囊；

（2）水箱框架损毁情况得到减轻，得益于前防撞梁将碰撞能量较均衡地传递到左右两侧，以及两侧吸能盒吸收了更多的能量，根据CAE 分析结果进行估算，吸能盒的吸能量比原来提升15%；

（3）驾驶员侧主纵梁沿着Y方向发生较大弯曲，可大概率避免MPDB 壁障侵入深度的触底现象，防止MPDB壁障被击穿而扣分。

图9 结构优化后的应力云图

表2 MPDB碰撞兼容性分数对比

与图4 相比，图9 的应力云图改善效果明显，首先消除了评估区域内的“触底”现象，另外红色区域面积也相应缩小。关于表1 中列举的MPDB 衡量指标，结构优化后的SD 值为122.9 mm，OLC 值为31.4g，加上壁障侵入深度的触底扣分和壁障侵入高度的扣分，总计扣分2.311，扣分率33%，相比于优化前的扣分4.84，整体分数提高2.529分，得分提高了1.17 倍，扣分降低了52.25%，优化后的MPDB 壁障结构见图10。

图10 优化后的MPDB壁障结构图

4 结论

对C⁃NCAP（2021 年版）中首次引入MPDB 工况和首次提出碰撞兼容性评分指标进行了介绍，并针对某在研A 级轿车的碰撞兼容性提出了一种优化方案，经过验证，与C⁃NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 的工况结构相比，优化后的碰撞兼容性得分提高了1.17 倍，为汽车行业内其他研究人员优化在研车型，尤其是碰撞兼容性方面的改善，提高C⁃NCAP（2021年版）的得分与星级提供了参考。

基于当前的结构优化，初步评估在研车型可以得到C⁃NCAP（2021 年版）四星级，为进一步达到五星级的目标，后续将从优化假人伤害值、提升主动安全得分率、提高乘员保护得分率等方面进行持续改进。

同时，因为C⁃NCAP（2021 年版）目前还处于意见征集稿阶段，可能还会对评价指标有细微调整，因此后续工作中，将根据C⁃NCAP（2021 年版）最终版本持续优化模型结构，并基于当前的CAE 仿真和实车碰撞试验结果，对在研车型进行持续优化。