基于MPDB工况的整车兼容性指标优化

邢志远

（东南（福建）汽车工业股份有限公司，福建 福州 350119）

随着国内外汽车安全水平的不断提升，整车安全性能需要不断地加强，以应对日益严格的汽车安全法规。但原有法规仅仅关注整车自身安全性能，无法兼顾到不同级别的车辆之间的碰撞兼容性问题[1]。2022 年，朱西产在国内首次提出了碰撞相容性的概念[2]，碰撞兼容性是指汽车在发生碰撞过程中互相包容的能力。同济大学的雷雨成根据交通事故，进行统计分析，提出了影响整车碰撞相容性的主要原因[3]。提高碰撞相容性可以在碰撞过程中减少自身乘员所受到的损伤，同时也可以将对方车辆中的乘员造成的损伤降到最低，进而将整个事故的人员伤亡降到最低。

故在2021 版中国新车评价规程（China-New Car Assessment Programme, C-NCAP）中明确了使用移动渐进变形壁障碰撞试验（Mobile Progressive Deformable Barrier, MPDB）工况取代原有的重叠可变形屏障（Overlapped Deformable Barrier, ODB）工况[4]。其目的在于督促汽车厂商在提升车辆自身安全性能的同时，减少对其他车辆的攻击性，进而提升整体的车辆兼容性水平，达到不同质量等级的车辆和谐一致的目标。而在正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验中，壁障变形量标准偏差（Standard Deviation, SD）与乘员载荷准则（Occu-pant Load Criterion, OLC）作为评价试验车型碰撞兼容性水平的重要指标。本文将基于某款中型运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle,SUV）车型进行碰撞兼容性仿真分析，进行碰撞兼容性指标优化。

1 正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验简介

在2021 版C-NCAP 中的MPDB 工况采用质量为1 400 kg 的移动试验壁障与试验车辆进行正面偏置对碰，速度均为50 km/h，重叠率为50%，如图1 所示。

图1 C-NCAP 中MPDB 工况图

其中试验车辆假人布置情况如表1 所示。

表1 C-NCAP MPDB 试验车辆假人布置

2 整车兼容性指标

在MPDB 工况中，将SD 与OLC 作为评价试验车型兼容性水平的重要指标。

2.1 壁障变形量标准偏差SD 定义

计算壁障变形量标准偏差，主要分为四个步骤。

2.1.1 明确壁障评估区域

首先需要明确壁障评估区域，如图2 所示。

图2 MPDB 壁障评估区域图

2.1.2 扫描壁障

试验后扫描变形壁障，生成最大单元尺寸不大于10 mm 的网格。

2.1.3 计算侵入量

依照试验前在壁障表面上创建的以20 mm 为边长的等距网格点（总共1 400 点）。沿着碰撞方向将网格点投影到变形壁障表面上，计算评估区域每个点的侵入量。

2.1.4 标准偏差计算

式中，SD为标准偏差，mm；Xn为样本点，mm；为平均侵入深度，mm。

2.2 乘员载荷准则OLC 定义

通过MPDB 壁障重心的X向加速度Ax积分获得MPDB 壁障的速度曲线Vt：

式（2）中

式中，V0为壁障初速度，m/s；V(t)为壁障速度曲线，m/s；t1为碰撞过程中虚拟假人相对壁障运动0.065 m 的时刻，s；t2为碰撞过程中虚拟假人在相对壁障运动0.235 m 的时刻，s；OLC值为碰撞过程中虚拟假人t1至t2时刻速度曲线斜率，m/s2。

假设MPDB 壁障台车上一个虚拟假人，其在0～t1时间段内匀速自由向前移动65 mm，之后该虚拟假人开始受到约束系统作用，在t1～t2时间内向前做匀减速运动，相对壁障台车移动235 mm 时对应时刻为t2。t1至t2时间内假设虚拟假人受约束的减速度是恒定的，定义该值即为OLC。

3 仿真优化分析

本文以某中型SUV 进行C-NCAP 2021 版MPDB 工况仿真分析，如图3 所示。车型基本信息如表2 所示。

表2 车型基本信息表

图3 某中型SUV-MPDB 仿真分析

3.1 初版分析结果评价

根据C-NCAP 2021 版MPDB 工况分析评价规程，针对壁障变形量标准偏差SD值、乘员载荷准则OLC值这两个方面，进行结果分析与评估。

从表3 可以看到，初始案的SD值为149 mm，OLC值为32.667g，且壁障出现触底击穿，最终罚分为2.508，罚分率为83.6%，无法满足该车型2021版C-NCAP 五星要求。

表3 初始案-MPDB 工况评分汇总

从图4、图5 的碰撞前后车身变形结果可以看到，车身纵梁由于刚度过大，碰撞过程无法压溃吸能。

图4 初始案-碰撞前车身变形图

图5 初始案-碰撞后车身变形图

从图6 可以看到，由于车身纵梁过硬与车身前端刚度不匹配，导致壁障偏向一侧的过渡形变，无法均匀吸能，在图7 中右上角出现了大面积的过渡区域，SD值为149.75 mm，造成严重扣分。

图6 初始案-壁障变形图

图7 初始案-SD 云图

3.2 碰撞兼容性优化方案

根据欧洲MPDB 试验统计研究[5]可以得到SD与OLC 两者与整车重量的相关性研究成果，即SD与整车整备质量增减无明显关系，而OLC 与整车整备质量成正比，并呈现主相关性。故依照该相关性研究成果，并结合3.1 初版分析评价结果，制定以SD 为主、OLC 为辅的碰撞兼容性优化方案。具体优化方案如下。

3.2.1 增加副防撞梁与副纵梁，增加车体下部底盘

吸能路线

目的是尽可能增加主车前端与壁障之间的Y向有效接触面积，如图8 所示。

图8 副防撞梁与副纵梁示意图

3.2.2 根据2.1.1 图2 壁障评估区域，重新布置车身主副防撞梁位置

目的是增加主车前段与壁障评价区域之间的接触面积，如图9 所示，Y向延长主副防撞梁，Z向调整主副防撞梁位置，依照纵梁高度限制条件（＜508 mm）与壁障评价区域下端距离（100 mm）进行布局，设置L1=95 mm，L2=120 mm，L3=L4=20 mm。

图9 副防撞梁位置示意图

3.2.3 重新布置凹凸筋、增减板厚、调整材料分布

目的是实现纵梁软化与分段式折弯，提升碰撞吸能量，防止击穿壁障。

调整车身前纵梁内板A 的激光拼焊位置，更改零件A-1 的板厚与材料，即由B410LA 2.2 mm改为B340LA 1.8 mm。在零件A-1 板件后端增加两处凹筋，如图10 所示。

图10 车身前纵梁内板

在车身前纵梁外板B 的前端增加两处凹筋，并设置激光拼焊，将零件B 拆分成前后组合（B-1，B-2），即B340-590DP 2.0 mm 拆分成B340-590DP 2.0 mm + B340-590DP 1.8 mm，如图11 所示。

图11 车身前纵梁外板

3.3 仿真结果验证

根据3.2 中制定的碰撞兼容性优化方案，修改整车碰撞仿真模型，进行计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析计算。从图12可以看到，优化后车身纵梁在碰撞过程中得到了充分的溃缩吸能，呈现三段式折弯。

图12 优化案-纵梁变形

由于纵梁的软化，壁障无触底击穿，如图13所示。壁障评价区域与主车前部充分接触，均匀变形，无过渡变形区域，如图14 所示。

图13 优化案-壁障变形图

图14 优化案-SD 云图

通过表4 结果汇总可以看到，优化后SD值从149.75 mm 降低至67.46 mm，降低了55.7%。OLC值虽然主要与整车质量相关，但通过车身软化，依然有小幅度的降低，从32.667g降低至31.045g。合计罚分为0.575 分，罚分率为19.2%，该结果满足2021 版C-NCAP 五星要求。

表4 优化案结果汇总

4 结论

本文聚焦2021 版C-NCAP MPDB 试验工况，通过修改车身结构来优化壁障变形量标准偏差与乘员载荷准则，并进行CAE 仿真计算验证，从而改善整车碰撞兼容性罚分，达成车型开发目标。通过仿真优化结果，可得以下结论：

1）提升主车与壁障的有效接触面积与主车接触面的刚度平衡，可有效提升SD值；

2）虽然OLC 主要与整车质量相关，但通过车身结构优化，依然可以得到改善；

3）本文通过CAE 仿真计算验证了车身优化的合理性，后续还需要试车试验进一步验证。