基于MPDB试验的车辆碰撞攻击性识别与评价方法研究*

朱海涛，孙振东，杨佳璘，黄志刚

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

前言

由于车辆质量、刚度和前端结构的差异，交通事故中弱势车辆往往承受更大的碰撞冲击载荷，导致更严重的碰撞损伤。为改善这种碰撞不相容的问题，减小强势车辆的攻击性，欧洲新车评价项目Euro NCAP在全德汽车俱乐部ADAC移动渐变变形壁障MPDB（mobile progressive deformable barrier）测试方法的基础上，提出如图1所示的试验方案。采用均匀性指标SD（standard deviation）、台车乘员载荷指标OLC（occupant load criterion）和壁障击穿3个指标评价车辆攻击性，并于2020年正式导入测试评价规程［1］。3个评价指标中，均匀性指标SD用于评价车辆的前端结构尺寸，台车乘员载荷指标OLC用于评价测试车辆的质量影响因素，壁障击穿用于反映车辆前端刚度［2］。

但在实际试验评价过程中发现以下问题：（1）均匀性指标SD只能反映评价范围内车辆结构作用的均匀性，不能反映车辆的前端结构高度和碰撞载荷的传力路径，针对高纵梁结构和辅助吸能结构，无法有效进行路径监测识别和评价；（2）壁障击穿指标只能反映前纵梁等局部结构的最大刚度，不能体现碰撞过程中车辆的整体刚度水平，没有进行量化评价。良好的碰撞相容性取决于碰撞双方车辆有效的能量吸收和结构分布。

针对以上问题展开研究，开发新型攻击性评价指标，以更好地反映和评价MPDB试验中车辆的碰撞相容性。

1 交通事故中车辆前端结构作用情况

FIMCAR项目交通事故统计数据表明，由碰撞相容性问题导致的伤亡事故主要与车辆前端结构相互作用方式、碰撞力传递性能和乘员舱强度相关［3］。前端结构相互作用又与骑乘效应、叉子效应和小重叠率相关。骑乘效应主要是指两车的主要吸能结构高度不一致，导致一方的主要吸能结构骑跨在另一方的上面，它的明显特征是弱势方前端主要吸能结构并未承载相应载荷，碰撞能量直接由乘员舱吸收，导致乘员舱严重变形；叉子效应主要是由于保险杠横梁及其相关结构太弱，造成保险杠横梁及其相关结构变形严重或断裂，难以有效传递碰撞力，导致弱势方难以有效吸能，强势方的碰撞结构插入到弱势方的结构中；小重叠率主要是指主要吸能结构在横向上基本没有重叠，导致一方的碰撞结构直接撞击对方车辆A柱、门槛梁等位置，造成车辆乘员舱一侧变形较大。

针对交通事故中的碰撞不相容情况，在车辆相容性评价中，应能反映碰撞过程中的传力路径和力在纵向、横向上的分布情况，以及反映碰撞能量在两车之间的分配情况：对于骑乘效应，应对高纵梁结构进行监测评价；对于叉子效应，应监测碰撞过程中前端结构的刚度水平；对于小重叠效应，应考察车辆吸能结构在横向的分布情况，避免碰撞过程中没有横向的结构重叠。因此，在制定相容性评价指标时，应该考虑上述交通事故中存在的问题。

2 传力路径识别方法

2.1 评价区域的划分

Euro NCAP目前划分的均匀性指标SD评价范围（图2）高度上限为距离地面650 mm，高度下限为距离地面250 mm，横向两侧的边界分别为距离碰撞右侧边缘45%车宽和200 mm，试验后扫描壁障，通过计算区域内变形量的标准偏差SD来评价结构作用的均匀性［4］。

图2 Euro NCAP相容性评价范围

车辆在实际发生碰撞时，前端结构相对MPDB壁障主要有4种位置形式（图3），而Euro NCAP目前的评价区域只能覆盖碰撞结构图3（c），不能覆盖其它3种碰撞形式的传力路径，因此须扩大竖直方向上的评价范围，同时为监测识别结构高度，也须重新划分评价区域。

图3 车辆前端结构相对壁障位置

在正面100%碰撞相容性评价中，EEVC推荐将碰撞力墙的第3行和第4行（离地330~580 mm）作为车辆前端结构碰撞的共同作用区域［5］，同时这也包括了美国标准Part 581所规定的共同作用区域（离地406~508 mm）。在欧洲汽车碰撞相容性研究项目VC COMPACT（vehicle crash compatibility）中，对车辆的前端结构高度进行了统计分析［6］，为能评价副车架等辅助吸能结构的传力路径，推荐180 mm作为评价区域的下限，而统计得出的最高副车架离地高度为326 mm，与330 mm接近。同时，为评价高纵梁车辆的前端结构的作用，将评价区域的高度上限取为700 mm。

综合上述因素，将MPDB评价区域划分为3个区域：下部评价区域高度下限为180 mm，上限为330 mm，主要用来识别和评价副车架等辅助吸能结构的作用；中部评价区域（共同作用区域）高度下限为330 mm，高度上限为580 mm，基本覆盖大多数车辆前纵梁等主要吸能结构；上部评价区域高度下限为580 mm，高度上限为700 mm，用来识别和评价高纵梁结构车辆在该区域的作用；评价区域的横向尺寸与Euro NCAP评价区域相同，基本覆盖了吸能结构的横向范围（图4）。通过区域的重新划分，可以覆盖从副车架到高纵梁全部碰撞传力路径。

图4 评价区域示意图

2.2 前端结构传力性能评价策略

为在评价区域内进行前端结构传力路径、结构高度和对应区域载荷分布的评价，以实现对前端结构相容性的全面考察，须对评价先后顺序和策略进行分析。

首先，应进行车辆结构传递路径的识别，通过壁障不同评价区域内纵向变形方式识别主要吸能结构和辅助吸能结构所在的评价区域，进而获得传力路径的高度范围，得到竖直方向上的相容性结果。

其次，在得到传力路径和评价区域后，应对其在水平方向上碰撞载荷的分布情况进行评价，以获得水平方向上的相容性结果。对于中部评价区域（共同作用区域），车辆的主要吸能结构应能使壁障有效变形和吸能，但不能超过最大变形限值，在水平方向上分布均匀，以减少交通事故中小重叠率、叉子效应等不相容的情况。如果在上部评价区域监测到传力路径，而车辆在共同作用区域内没有传力路径，前纵梁等主要吸能结构离地较高，易发生骑乘现象，因此须对主要吸能结构造成的壁障纵向变形进行限制，以减小发生骑乘现象的机率；如果在下部评价区域监测到传力路径，应对其在水平方向上的分布情况进行评价，以确保副车架等辅助吸能结构能够有效发挥作用，评价流程如图5所示。

图5 评价策略流程图

2.3 前端结构传力路径识别方法

2.3.1 传力路径识别指标

根据评价策略，须确定评价区域内传力路径的识别指标。根据图3对前端结构的分类，确定车辆碰撞结构对应蜂窝铝评价区域，采用50百分位至80百分位变形量来反映壁障的变形特征，取最小数值曲线作为识别指标限值。

选取20个车型的MPDB蜂窝铝变形数据，对不同评价区域内的壁障纵向变形百分位数值进行统计分析，结果如图6~图8所示。在同一评价区域内，对比50百分位至80百分位壁障变形量可知：对于上部评价区域，车型1、车型8、车型9、车型19和车型20为高纵梁结构车型（图6方框内），其对应百分位数值集中于上方，明显大于其他结构类型，说明可以用百分位数值曲线作为高纵梁结构的监测识别指标，以图6中最小数值曲线作为识别指标限值。

图6 上部评价区域百分位变形量曲线

由图7可见，对于中部评价区域，处于各车辆结构的共同作用区域，50百分位至80百分位壁障变形量曲线较为集中，无明显差异趋势。

图7 中部评价区域百分位变形量曲线

由图8可见，对于下部评价区域，处于副车架等辅助吸能结构作用区域，按照图3中分类为D类的车辆结构，共有7组数据（方框内），其50百分位至80百分位壁障变形量数值明显大于其他结构类型，有较大差异，可以用百分位数值曲线作为辅助吸能结构的监测识别指标，以图8中最小数值曲线作为识别指标限值。

图8 下部评价区域百分位变形量曲线

因此，得到用于监测识别车辆高纵梁结构和辅助吸能结构的壁障变形百分位限值曲线，如图9所示，当对应区域百分位变形量曲线高于限值曲线时，对应结构将被识别。

图9 识别曲线限值

2.3.2 传力性能评价指标

当识别到对应传力路径后，得到对应的车辆前端结构类型，结合上部、中部和下部评价区域，确定以下相容性评价方法。

若监测识别到高纵梁结构传力路径，为避免骑乘效应的发生，应限制高纵梁结构的刚度，结合上部评价区域内的壁障纵向变形深度，采用Euro NCAP击穿指标对高纵梁结构攻击性进行评价，在40 mm×40 mm的区域上造成的变形深度不能超过630 mm。对于中部评价区域和下部评价区域，应有效考察传力路径在横向上的分布情况，对评价区域内的不同列变形数据进行均匀性指标计算。50百分位数值可以反映该组数据的平均水平，因此取每一列50百分位变形量数据作为代表，如图10所示。图中位移小于等于160 mm为橙色；161~320 mm为黄色；321~480 mm为绿色；481~630 mm为红色，在此基础上对每列的代表数据进行标准偏差计算，参考Euro NCAP均匀性高低性能限值，进行均匀度计算，可以得出传力路径在横向上的分布情况。

图10 不同评价区域内数据分列情况

标准偏差和均匀度计算公式为

式中：S'为对应评价区域的标准偏差；xi为评价区域内第i列的50百分位变形量数据；xˉ为50百分位变形量数据的平均值；α为评价区域均匀度。均匀度越大说明传力路径在横向上的分布情况越好。根据上述评价方法，可以识别和评价传力路径及其横向分布情况，实现了对副车架和高纵梁等车辆前端结构的评价。

2.3.3 评价方法验证

以某车型结构为例，进行评价方法验证。提取50百分位至80百分位变形量曲线进行传力路径识别（图11），其不同评价区域的50百分位至80百分位变形量曲线均在高纵梁识别线和辅助吸能结构识别线之间，说明该车型为图3中的D类结构，有两条传力路径，主要吸能结构位于中部评价区域内，辅助吸能结构位于下部评价区域内。对应评价区域提取每列50百分位数据（图12），对其中部评价区域和下部评价区域横向分布情况进行标准偏差计算，计算值分别为110和98 mm，均匀度分别为40%和52%，说明该车两条传力路径在横向上的分布情况均有待提高。

图11 传力路径识别示例

图12 不同评价区域内每列50百分位变形量

3 刚度评价方法

3.1 MPDB试验中碰撞刚度分析

Euro NCAP在评价区域设置了击穿指标，若在40 mm×40 mm的区域上造成的变形深度超过630 mm，则判断为击穿［4］，但此指标只能反映出前纵梁等零部件的局部刚度，不能反映碰撞过程中车辆前端刚度的整体情况［6-8］。

MPDB试验过程中，存在如下关系［9］：

式中：St和Sv分别为台车和车体的位移；Dt和Dv分别为壁障和车体的变形量；aˉ、vˉ、-S分别为两者相对加速度、速度和位移，下标0、1分别表示t0、t1时刻的量。

由式（2）可知，在由被撞车辆和MPDB台车组成的碰撞系统中，提高壁障或车体的刚度水平可减少壁障或车体的最大变形量；增加车体的最大变形量可减少壁障的最大变形量，反之亦然。因此壁障吸能比可以反映测试车辆在碰撞过程中的整体刚度情况。

3.2 蜂窝铝规格与吸能计算

文中采用70PDBXT ADAC蜂窝铝为研究对象，其由3层3003蜂窝铝块组成，3层铝块粘合在一起，由铆接铝皮层覆盖，后部铝块与背板粘合。前层（区域1）在碰撞方向上尺寸为250 mm；中间层尺寸为450 mm，包括上部区域2和下部区域3；后层（区域4）尺寸为90 mm（图13）。

图13 蜂窝铝70PDBXT ADAC构造及外观尺寸

蜂窝单元的几何形状对MPDB壁障台车碰撞能量的吸收与回弹有显著的影响。图14示出两种典型的蜂窝结构。其中θ为单元角，h为垂直构件高度，l为角构件长度，t为单元壁厚。

图14 典型蜂窝单元尺寸定义

70PDBXT ADAC蜂窝铝采用图14（a）形式的蜂窝单元，其后层（区域4）的单元尺寸Lx为6.3 mm（1±10%），中层（区域2，3）Lx为9.5 mm（1±10%），前层（区域1）Lx为19.1 mm（1±10%）；其中前后两层碰撞变形力恒定，中间层碰撞力随着变形量的增加而增加，其静态挤压力-位移曲线应满足图15中的性能通道规范要求。

图15 70PDBXT ADAC蜂窝铝静态挤压力-位移曲线要求

在碰撞过程中蜂窝铝应变能计算如下：

式中σij、εij、γij分别为应力、应变和角应变分量。

3.3 蜂窝铝吸能比实现方法

在碰撞后的蜂窝铝上进行定位点粘贴和喷漆处理，利用3D扫描设备进行扫描，扫描后得到碰撞后蜂窝铝3D表面，并将文件转换成STL导入3D建模软件，建立三维坐标系，进一步将坐标系投影到曲面上，对曲面进行处理及裁剪，按照20 mm×20 mm的间隔要求选取点，将得到的点云以ASC格式输出得到坐标值。根据壁障刚度特性，对评估区域内每个蜂窝铝单元的压溃能量进行计算并求和，得到壁障吸收的能量。

3.3.1 壁障压溃强度

根据图15得到区域1压溃强度σ1为0.325 N/mm2，区域4压溃强度σ4为1.625 N/mm2。对于中间层（区域2，3），当蜂窝铝压溃行程xi≤350 mm时，压溃强度为

式中：xi为在相应区域中的压溃行程，a、b、c、d为图15中对应的拐点位置。对于区域2，σa为0.41 N/mm2，σb为0.27 N/mm2，σc为0.75 N/mm2，σd为0.61 N/mm2；对于区域3，σa为0.75 N/mm2，σb为0.61 N/mm2，σc为1.09 N/mm2，σd为0.95 N/mm2。

当中间层蜂窝铝压溃行程xi>350 mm时，区域2的压溃强度σ2-R为0.68 N/mm2，区域3的压溃强度σ3-R为1.02 N/mm2。

3.3.2 壁障吸能比

在能量吸收方向上，蜂窝铝有效吸能行程为图13中相应尺寸的80%。因此最外层有效压溃行程为200 mm；中间层的有效压溃行程为360 mm；第3层有效压溃行程为72 mm。根据各区域压溃强度，得出每个蜂窝铝20 mm×20 mm单元，在不同位移下的压溃能量为

式中：s为单元面积400 mm2；xi为碰撞方向位移。对评估区域内每个蜂窝铝单元的压溃能量进行计算并求和，得到ΔE壁障。

3.3.3 吸能比限值确立

获取20组MPDB试验数据。其中试验车辆纵梁高度分布如图16所示。对试验中的台车壁障吸收能量进行统计。计算得到台车壁障吸能比累积百分位曲线（图17）。其中50百分位的壁障吸能比为28%，反映出测试车辆前端刚度的平均水平。这说明，当壁障吸能比大于28%时，壁障吸收的能量相对较多，台车模拟的车辆乘员舱变形侵入风险增大，测试车辆前端整体刚度较大，应进行相应的调整和优化。

图16 20款测试车型纵梁分布高度

图17 壁障吸能比累积百分位曲线

4 结论

分析发现Euro NCAP推出的MPDB兼容性评价指标无法反映车辆的前端结构高度和碰撞载荷的传力路径，不能体现碰撞过程中车辆的整体刚度水平，因此以MPDB攻击性测评指标为研究对象，结合交通事故反映出的碰撞相容性影响因素，提出车辆前端结构攻击性能评价策略与方法。通过研究，重新划分了蜂窝铝评价区域，针对每个评价区域提出了对应的评价指标，利用数据统计分析的方法，得到碰撞传力路径监测识别与评价方法，得出如下结论。

（1）根据车辆前端结构相对壁障的位置，将评价区域重新进行选取，划分为上部评价区域、中部评价区域和下部评价区域，覆盖了从副车架等辅助吸能结构到高纵梁结构，全面评价车辆前端结构，并兼容了与EEVC正面100%相容性试验评价区域以及VC COMPACT项目评价区域。

（2）依据交通事故碰撞不相容影响因素，提出了评价前端结构的策略。首先进行车辆结构传力路径的识别，得到主要吸能结构和辅助吸能结构所在的区域，获得传力路径的高度范围；其次对传力路径在水平方向上的载荷分布情况进行量化评价。

（3）通过对比同一评价区域50百分位至80百分位壁障变形量，得出了识别高纵梁结构和副车架等辅助吸能结构的壁障百分位变形量曲线；对上部评价区域提出了最大变形量要求，以减少骑乘现象的发生，对中部评价区域和下部评价区域提出了50百分位变形量标准偏差评价指标，以使传力路径在横向上均匀分布，减少叉子效应和小重叠效应。

（4）对MPDB壁障吸能过程进行理论分析，提出蜂窝铝吸能比的计算与实现方法。利用数据统计的方法得出壁障吸能比的分布情况，提出将壁障吸能比作为评价测试车辆前端整体刚度的量化指标，并以50百分位数据作为参考限值。