基于全寬剛性壁障試驗(yàn)的車輛碰撞兼容性研究

朱海濤 楊佳璘 張斌 李向榮

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300162）

1 前言

我國交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，乘用車碰撞事故中，車對車碰撞導(dǎo)致的死亡人數(shù)占車禍死亡總?cè)藬?shù)的50%左右[1]。究其原因，主要是由于碰撞雙方質(zhì)量、剛度以及幾何外形的差異，導(dǎo)致相關(guān)碰撞事故中，弱勢方對其乘員保護(hù)不足，碰撞兼容性較差。C-NCAP及GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員防護(hù)》均采用了車輛以50 km/h 的速度正面撞擊剛性墻的碰撞形式，這種形式模擬的是車輛與等同車發(fā)生正面對碰的事故形態(tài)，而實(shí)際交通事故中，車輛可能會(huì)與不同車輛發(fā)生碰撞。因此，在法規(guī)及規(guī)范層面，應(yīng)該對車輛碰撞兼容性進(jìn)行技術(shù)約束[2]。近年來，隨著汽車產(chǎn)品種類日趨增多，相關(guān)問題愈發(fā)突出。因此，碰撞兼容性是未來國內(nèi)汽車安全領(lǐng)域研究的新方向。

如何準(zhǔn)確評價(jià)汽車碰撞兼容性能，一直是國外的研究熱點(diǎn)，但目前尚未出臺統(tǒng)一的測評規(guī)范[3]。當(dāng)前，碰撞兼容性評價(jià)指標(biāo)以作用力中心（Center Of Force，COF）高度和前部等效剛度（Crush-Work Stiffness）Kw為代表[4-5]，但兩者均要考慮整體載荷分布區(qū)間情況，單一指標(biāo)無法有效考核車輛的兼容性能[6-8]。

本文在英國交通研究實(shí)驗(yàn)室（Transport Research Laboratory，TRL）均勻性指數(shù)基礎(chǔ)上，確立了一種車輛兼容性的評價(jià)方法，并對其一致性、重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證，利用20 款車型全寬剛性壁障（Full Width Rigid Barrier，F(xiàn)WRB）試驗(yàn)結(jié)果研究被測車輛的兼容性現(xiàn)狀，以期為我國未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的制定提供依據(jù)。

2 測評方法

車輛正面碰撞兼容性能與車輛前端載荷分布特性相關(guān)，為衡量車輛前部結(jié)構(gòu)作用力分布是否均衡，TRL提出了一種車輛均衡性評價(jià)方法[9-10]，相對均勻性指數(shù)RHcl用來評估車輛總體作用力的分布均衡性，其計(jì)算公式為：

式中，L為評價(jià)區(qū)域內(nèi)各單元的平均力；fij為載荷單元所受的峰值力；nr、nc分別為測力墻上載荷單元的行和列數(shù)量；ni、nj分別為第i行、第j列的碰撞載荷單元。

評估區(qū)域一般選擇垂直方向175～830 mm 高度、水平方向1 500 mm 寬度（以測力墻中心線為對稱線）范圍。RHcl越小，代表結(jié)構(gòu)作用力分布越均勻。RHcl能有效評價(jià)結(jié)構(gòu)件的能量傳遞，但是不能評估車輛碰撞結(jié)構(gòu)件分布的高度和剛度，且確定評價(jià)區(qū)域時(shí)沒有對應(yīng)車輛尺寸的客觀推導(dǎo)方法[11]。

為此，在TRL 評價(jià)方法的基礎(chǔ)上，引入結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)（Structural Index，SI），即在相應(yīng)的評估區(qū)域內(nèi)，通過車輛前端碰撞載荷的大小和均勻性對車輛兼容性能進(jìn)行量化，SI越小，車輛的碰撞兼容性越好。SI指標(biāo)包括垂直結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)（Vertical Structural Interaction，VSI）和水平結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)（Horizontal Structural Interaction，HSI）。

2.1 垂直結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)

VSI用來評價(jià)車輛垂直方向上的結(jié)構(gòu)性能，在相應(yīng)高度區(qū)域內(nèi)對載荷單元響應(yīng)特性進(jìn)行分析，評估區(qū)域如圖1所示。VSI評價(jià)步驟為：在測力墻（測力單元尺寸為125 mm×125 mm，下端離地間隙為80 mm）第3～4 行對應(yīng)的高度內(nèi)進(jìn)行評價(jià)，對載荷單元峰值之和VSIstep1提出限值要求；對在第2～5行對應(yīng)的區(qū)域載荷峰值及分布均勻性進(jìn)行加權(quán)歸一化處理，得到加權(quán)歸一化指數(shù)VSIstep2。

圖1 VSI評估區(qū)域示意

對于VSIstep1，有

式中，F(xiàn)i為行單元載荷峰值之和（第40 ms前）；Ftarget為目標(biāo)行負(fù)載；xij為第40 ms前第i行第j列載荷單元的峰值。

當(dāng)所測力單元載荷峰值之和小于500 kN 時(shí)，

VSIstep2由加權(quán)歸一化后的變異系數(shù)CVn和碰撞載荷負(fù)偏差NDevn組成，計(jì)算過程為：

式中，α和β為權(quán)重系數(shù)，本文取值均為1；σrow(2～5)為第2～5行碰撞力峰值標(biāo)準(zhǔn)偏差；Fˉrow()2～5為第2～5行碰撞力峰值的平均值；CVrange=1 為第2～5 行CV值的范圍；NDevrange=100 kN為第2～5行NDev值的接受范圍。

2.2 水平結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)

HSI 用來評價(jià)水平方向上與車輛寬度相關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)性能。在進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分處理時(shí)，將該區(qū)域分為中間、左側(cè)和右側(cè)3個(gè)部分。其中，中間區(qū)域覆蓋4列載荷單元，兩側(cè)區(qū)域?yàn)檐噷挼?0%覆蓋區(qū)域剔除中間6列后所剩區(qū)域，圖2、圖3所示為HSI評估區(qū)域示意，HSIstep1在評價(jià)區(qū)域1中進(jìn)行，HSIstep2在評估區(qū)域2中進(jìn)行。

圖2 HSI評估區(qū)域1示意

圖3 HSI評估區(qū)域2示意

定義TCi為每行目標(biāo)碰撞力：

式中，W為車輛寬度。

在評價(jià)車輛外圍結(jié)構(gòu)性能時(shí)，如果兩側(cè)評估區(qū)域邊界與測量單元邊界不能完全對齊，定義調(diào)整因子n為：

式中，INTEGER為整型函數(shù)。

中心區(qū)域載荷負(fù)偏差為：

兩側(cè)區(qū)域的載荷負(fù)偏差為：

與VSI 類似，HSI 評估先后在測力墻第3～4 行和在第2～5 行對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，結(jié)果分別為HSIstep1和HSIstep2：

3 評價(jià)方法驗(yàn)證

利用3 種車型，共計(jì)6 輛車對評價(jià)方法的重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證。3 種車型分別為小型車、普通乘用車和SUV，每種車型2輛車配置相同。對VSI、HSI偏差進(jìn)行計(jì)算：

式中，RSD為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差；-x為平均值。

乘員載荷準(zhǔn)則（Occupant Load Criterion，OLC）能夠?qū)囕v正面碰撞劇烈程度進(jìn)行量化評價(jià)[14]，圖4中曲線斜率為上述3 種車型在6 次試驗(yàn)中車身對應(yīng)的OLC指標(biāo)。由圖4 可以看出，3 種車型2 次重復(fù)試驗(yàn)的OLC差異分別為2.07%、0.03%和0.03%，表明車型的碰撞強(qiáng)度控制在較好的范圍內(nèi)。表1 所示為6 次試驗(yàn)的VSI、HSI值：對于小型車，VSIstep2的RSD值最大，為6.68%；對于普通乘用車，HSIstep2的RSD值最大，為6.08%；對于SUV 車型，VSIstep2的RSD最大，達(dá)到7.97%。

圖4 6個(gè)車型的OLC指標(biāo)

上述分析表明，利用VSI指標(biāo)和HSI指標(biāo)對車輛的兼容性進(jìn)行評價(jià)，能夠使RSD指標(biāo)控制在8%范圍內(nèi)，證明了評價(jià)指標(biāo)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

4 車型評價(jià)結(jié)果

利用測力墻（見圖5）采集100%正面碰撞中20款車型前端的碰撞載荷，其中包括3 輛小型車、12 輛普通乘用車和5 輛SUV。測力墻由128 塊125 mm×125 mm 的載荷傳感器組成，其下端離地間隙為80 mm，數(shù)據(jù)濾波頻率采用CFC60。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)等部件在碰撞過程中對結(jié)構(gòu)作用力的影響，在計(jì)算SI 時(shí)，使用碰撞過程前40 ms內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)。圖6所示為測試車型車寬及水平評估區(qū)域示意。

4.1 VSI指數(shù)分析

VSIstep1在離地330～580 mm 高度區(qū)域內(nèi)評估。與美國輔助吸能結(jié)構(gòu)（Secondary Energy Absorbing Structures，SEAS）測試性質(zhì)類似，要求車輛在第3行和第4行上的碰撞峰值和大于Ftarget，因此VSIstep1期望值為0。20輛車型的評價(jià)結(jié)果如圖7所示，由圖7可看出，僅有4輛普通乘用車不滿足這一要求，占評價(jià)車型總數(shù)的20%。

表1 評價(jià)方法偏差分析

圖5 FWRB碰撞測力墻示意

圖6 測試車型車寬及水平評估區(qū)域

圖7 測試車型VSIstep1值

VSIstep2在離地205～705 mm 高度區(qū)域內(nèi)評估。圖8所示為20 個(gè)車型的評價(jià)結(jié)果。由圖8 可看出，在構(gòu)成VSIstep2的變異系數(shù)和碰撞載荷負(fù)偏差2 個(gè)指標(biāo)中，變異系數(shù)對VSIstep2的貢獻(xiàn)率更大。圖9所示為測試車型在第2～5行高度上載荷峰值CV值。與小型車和普通乘用車相比，SUV間的CV值偏差更大，表明不同的SUV在均衡性指標(biāo)上存在更大差異。圖10所示為測試車輛在第2～5行上的載荷負(fù)偏差。NDev值主要出現(xiàn)在第2行和第5行，小型車在第5行NDev值更大，而普通乘用車和SUV在第2行上NDev值偏大。

VSI評價(jià)結(jié)果表明：在第1 步評估區(qū)域內(nèi)，80%的車型能夠滿足碰撞強(qiáng)度要求；在第2 步評估區(qū)域內(nèi)，小型車第5行上的NDev值偏大，應(yīng)加強(qiáng)水箱框架上橫梁-上縱梁-A 柱上路徑能量傳遞和吸收，SUV 的第2 行NDev值偏大，需加強(qiáng)副車架-車輪-門檻下路徑的能量傳遞和吸收，同時(shí)，在所有車型中，SUV 的載荷分布均衡性差異最大，可見其前端部件整體能量傳遞性能有改進(jìn)的空間。

圖8 測試車型VSIstep2值

圖9 測試車型第2～5行峰值載荷CV值

圖10 測試車型第2～5行載荷峰值NDev值

4.2 HSI分析

在HSI評估區(qū)域內(nèi)，車輛橫梁所處位置與中心區(qū)域?qū)?yīng)，縱梁所處位置與兩側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)。車輛前端結(jié)構(gòu)在125 mm×125 mm 單元上承載的碰撞力峰值以TC值為目標(biāo)。

圖11 和圖12 所示分別為20 個(gè)車型的HSIstep1和HSIstep2。在HSI對應(yīng)的評估區(qū)域內(nèi)，70%的車輛（14個(gè)車型）中心區(qū)域內(nèi)的載荷負(fù)偏差比兩側(cè)大，代表中心橫梁處的碰撞承載能力偏弱。因此，為了使橫梁與縱梁之間的傳力路徑更清晰，以得到質(zhì)量分布均勻的結(jié)構(gòu)，應(yīng)增強(qiáng)橫梁及關(guān)聯(lián)部件的剛度，保證車輛前端抗撞結(jié)構(gòu)的剛度和導(dǎo)向性能的協(xié)同。

圖11 測試車型HSIstep1值

圖12 測試車型HSIstep2值

圖13和圖14分別為HSIstep2對應(yīng)的載荷負(fù)偏差值分布情況。車輛在第3行和第4行上的整體NDev值偏大，因此在增強(qiáng)橫梁剛度的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高包括縱梁結(jié)構(gòu)在內(nèi)的車輛側(cè)向剛度。

圖13 中心區(qū)域HSIstep2對應(yīng)的載荷NDev值

圖14 兩側(cè)HSIstep2對應(yīng)的載荷NDev值

4.3 結(jié)構(gòu)相互作用指數(shù)

圖15所示為評測車型SI指標(biāo)分布情況。從車輛前端載荷在水平/垂直方向上的分布指數(shù)來看，VSI較小，代表車型在垂直方向上載荷分布性能良好，在水平方向上的2個(gè)評估區(qū)域內(nèi)，不同車型HSI值差異大，載荷橫向分布性能差異較大，SUV車型尤為明顯。因此需綜合考慮包括橫梁在內(nèi)的整體傳力路徑，優(yōu)化構(gòu)件間的潰壓模式及剛度。

圖15 測試車型對應(yīng)的SI值

5 結(jié)束語

針對車輛的碰撞兼容性能，本文確立了一種基于測力墻應(yīng)用的FWRB測試方法。在劃定的評估區(qū)域內(nèi)，對車輛前端碰撞載荷進(jìn)行偏差分析，使用加權(quán)歸一化指數(shù)來評估車輛碰撞載荷在水平和垂直方向上的傳遞情況，以及傳力方式與車輛前端剛度的協(xié)同情況。通過3 款車型的6次試驗(yàn)，對測評方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。以20個(gè)車型為樣本進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在垂直方向上離地330～580 mm 的區(qū)域內(nèi)，80%的車輛前端結(jié)構(gòu)能滿足碰撞載荷要求，而在水平方向上，車輛橫向能量傳遞性能整體上仍需加強(qiáng)，SUV的表現(xiàn)更為明顯。