車輛MPDB工況安全性能影響研究

董瑞強，沈海東，祖世華

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引言

MPDB（Mobile Progressive Deformable Barrier）工況是歐洲NCAP星級評價體系（New Car Assessment Program）最新研究的汽車碰撞安全測試工況，中國NCAP體系也將在2021年引進，以替代現行的ODB（Offset Deformable Barrier）試驗工況。與ODB工況相比，MPDB考慮了更多的實際道路中不同形式的車對車的碰撞事故，特別是在大型車與尺寸和質量都較小的小型車的碰撞中，大型車往往具有很大的自我保護優勢，而對于小型車來說它們所受的傷害程度要更大，為了在車對車的碰撞中讓這些小型車也能有較好的乘員保護作用，減少大型車的攻擊性，新的MPDB工況中的相容性評價就成了業界共同需要研究的目標。新的工況的出現，必然會帶來新的車輛安全結構設計策略的改變，為此，需要對現有在研車型的MPDB工況表現進行深入細致地研究。

1 MPDB工況

MPDB工況是以一輛質量約為1 400 kg的標準可移動小車，前端安裝有由3部分剛度漸變蜂窩鋁所組成的可變形障礙壁，以50 km/h的對沖速度并且與被碰撞車輛有50%的重合度來撞擊具有同樣速度的被碰撞車輛，以期能同時評價被碰撞車輛的結構耐撞性和對另一方車輛的攻擊性。其中對對方車輛攻擊性評價又被稱作被碰撞車輛的相容性評價，本文將重點討論被碰撞車輛的相容性評價設計。圖1所示為MPDB工況示意圖[1]。

圖1 MPDB工況示意圖

MPDB工況的相容性評價主要從3個方面進行考核，分別為障礙小車的乘員負荷標準（Occupant Load Criterion，OLC），障礙壁變形標準偏差（Standard Deviation，SD），以及對障礙壁擊穿與否的判斷（Bottom Out）。這3個指標的評價在2021C-NCAP中采用的是從MPDB整體試驗總得分中累計扣分的形式進行，目前2021版C-NCAP發布的MPDB工況相容性評價指標如圖2所示[2]。

圖2 MPDB工況相容性評價指標

為了便于得到MPDB工況的車輛安全設計策略，選取了8款在研車型進行了全面的CAE分析研究，并將MPDB工況分析結果與將被替代的現行2018版C-NCAP中64 km/h 40%重疊的ODB（Offset Deformable Barrier）工況進行了對比分析，并進一步選擇最惡劣車型進行了實車試驗，最終得到了全面的影響研究結果，初步形成了綜合考慮MPDB工況影響的車輛安全設計建議。

2 MPDB相容性評價影響

2.1 車輛質量對MPDB相容性評價的影響

通過對8款車型的CAE分析，其碰撞能量統計如表1所示，其碰撞能量與ODB工況的對比變化統計在表中。結果顯示質量較重的車輛障礙壁變形量更容易超標（EuroNCAP對應標準要求小于630 mm），并且MPDB障礙壁所吸收的能量幾乎是ODB障礙壁吸能的2倍。進一步分析同平臺車型，有個別較重的車，障礙壁變形反而不一定大，說明障礙壁變形與車輛自身承載結構分布及設計也有一定關系，平臺一中車型B的車重大于車型C，但障礙壁侵入量反而更小。文獻[3]中的研究也證實了這一結論。

表1 各車型MPDB障礙壁CAE碰撞能量情況統計

由表1還可以看到，ODB工況中障礙壁吸收碰撞能量約占整個系統能量的22%～28%；而MPDB中障礙壁吸收能量約占整個碰撞能量的40%～45%，為了便于理解表1中碰撞能量變化的數據的影響，可以做如下簡單的能量假設計算[4]。

假設有一輛試驗質量為1 500 kg的車，在ODB中總的碰撞能量為：

根據表1中的障礙壁吸能占比數據，對于本試驗車輛可先假定障礙壁吸能約占總能量的23%，那么車輛本身所需吸收的最大能量約為剩余的77%，計算可得車輛吸能：

同理，根據表1也可假設MPDB障礙壁吸能約為總能量的43%，則車輛自身需要吸收的最大能量為：

比較上述計算結果，MPDB工況中車輛所需吸能反而比ODB要少很多。換句話說，MPDB工況下的車輛安全結構可以不需要像ODB工況那樣需設計去吸收較多的碰撞能量；也即，2021版C-NCAP中由MPDB工況替代ODB工況后，被撞車輛的結構設計應該可以做適當減弱。因此對MPDB工況來說，研究如何減小相容性評價的扣分反而成了未來車輛設計的重點。

2.2 車體結構對MPDB相容性評價的影響

鑒于前述的分析結果，車輛自身結構的不同對相容性評價結果也有一定影響，因此對這8款車的車體前端結構也做了進一步研究[5]。

圖3 平臺一車型B和車型C結構比較

如圖3所示，選取平臺一中的車型B和車型C來初步闡述這個影響，圖3（a）為車型B結構與障礙壁重合區域示意圖，前端上、中、下3條路徑上正面都有橫梁結構與障礙壁重疊，側面也有上部縱梁結構延伸到中部縱梁前端，與副車架縱梁一起也保證了側面與障礙壁有一定的結構與障礙壁重疊；如圖3（b）所示，而同一平臺的車型C與車型B相比，正面和側面障礙壁能撞擊到的部位都少了能順暢傳力到上部車體結構的碰撞承載結構，因此兩個車型相比，車型B對障礙壁的碰撞作用將更加均勻，障礙壁雖然會吸收更多的碰撞能量，但車型B的相容性評價應該會更好，如圖4所示為相容性扣分統計；反之車型C碰撞更容易造成障礙壁的不均勻變形，而且結果也顯示障礙壁被侵入的最大深度也更深。

圖4 8款車型MPDB工況相容性扣分統計

通過8款車型的初步相容性評價分析，如不做任何針對MPDB工況的車體結構設計，基本所有車型都存在MPDB扣分現象，同時并非車輛質量越輕的車輛，扣分就越少，如車型F；車輛質量接近2 000 kg的車輛，MPDB的相容性扣分則基本全部被扣完。

2.3 MPDB工況對車輛碰撞性能設計的影響

根據上述CAE分析結果，選取相容性評分最惡劣車型H進行車輛自身影響的進一步研究，首先從圖5（a）所示的整車加速度波形對比上可明顯看出，MPDB工況波形回彈時刻大大提前，基本80 ms即完成整個吸能過程，而ODB工況完成這個過程大約需要120 ms；其次MPDB工況下整車加速度上升較快，前期（40 ms之前）加速度明顯高于ODB，這也從另一方面反映了MPDB的障礙壁整體剛度要比ODB有所增大，未來需要針對MPDB工況研究約束系統提前介入的可能；另外，如圖5（b）所示，MPDB加速度峰值也比ODB工況小約9g，總體上由MPDB有效加速度帶來的對乘員傷害的影響會比ODB更小。

圖5 MPDB和ODB工況加速度和速度波形比較

對于車輛自身的侵入量，也是MPDB工況明顯好于ODB工況，如圖6所示，不僅MPDB侵入量最大值大大降低，而且前艙侵入對乘員的影響范圍也大大縮小，這將更有利于車內乘員的保護。

圖6 MPDB和ODB工況防火墻侵入量對比云圖

3 MPDB工況的試驗驗證

針對最惡劣車型H，參考文獻[6]中的試驗研究方法，又進一步進行了實車的驗證試驗。對相容性評價而言，試驗結果各評價指標都要好于CAE分析結果，CAE分析中障礙壁有擊穿現象，但試驗中沒有出現，侵入量云圖如圖7所示；CAE總的扣分約為5.46分，試驗中扣分為3.81分，具體如表2所示。

圖7 MPDB工況試驗和CAE障礙壁侵入量數值云圖

將試驗得到的整車加速度和速度波形與CAE分析結果進行了對比分析，如圖8所示。總體上試驗結果與CAE波形曲線比較吻合，對于碰撞小車在碰撞前期兩者加速度和速度斜率基本一致；在后期試驗小車加速度曲線局部又有升高，而CAE則光順下降，試驗曲線相對于CAE曲線峰值也約低9g在右，說明試驗障礙壁前、中、后3部分蜂窩鋁剛度有一定的變化梯度；而CAE的障礙壁模型剛度較為連續，結合表2的壁障的侵入量CAE和試驗的對比，壁障的CAE仿真模型偏軟一些，這可能與CAE障壁單元采用刪除單元的失效方法建模有一定關系；且試驗障礙壁3部分蜂窩鋁之間所采用的連接膠水等在障礙壁CAE模型中并沒有得到精確地表達，但初步判斷這并不影響障礙壁CAE模型作為標準CAE模型應用于后續的整車MPDB工況耐撞性設計中[7]。

表2 MPDB工況試驗和CAE相容性評價對比匯總表

圖8 MPDB加速度和速度波形的試驗和CAE對比

圖9 MPDB試驗和CAE車體結構變形對比

另外，整車結構的整體變形也是車輛安全設計的關鍵指標，如圖9所示。選取了車體前部結構和撞擊側前縱梁2個車身關鍵位置做了對比分析。可以看出，無論從變形形式，還是折彎位置等方面分析，車體前部以及車身碰撞側縱梁等CAE都與試驗具有較好的相似性，這也說明目前的MPDB工況的整車及障礙壁的CAE模擬方法具有較好的仿真可信度。

4 結束語

綜合上述對各車型MPDB工況的CAE及試驗研究，改善車輛MPDB相容性評價結果，即研究如何減小對障礙壁的入侵將成為該工況設計需要解決的重點。通過對8款在研車型的全面分析，可以得到如下結論。

（1）所有的車型MPDB相容性評價都有扣分，越重的車輛扣分越嚴重，如不做任何有針對性的結構設計，超過2 000 kg質量的車型，相容性分數基本都被扣完，因此車重是影響相容性評價的重要因素。

（2）不同車型的前端結構設計也會對結果有較大影響，在障礙壁相容性評價覆蓋區域內，前端結構從上到下的承載傳力結構越是平齊且剛度平衡的車型相容性評價扣分越少。

（3）通過與現行ODB工況的分析結果對比，無論從車輛自身有效加速度，還是車輛自身的侵入量，MPDB工況都明顯好于ODB工況，這對乘員保護性能有利。

（4）通過對CAE結果最惡劣車型的試驗驗證，不僅驗證了前述MPDB研究結果，同時也說明了當前所用障礙壁CAE模型具有較好的可信度，完全可用于后續新車型的正向開發之中。

本文所研究的MPDB工況僅是車輛被動安全設計的工況之一，考慮完整的車輛安全設計，不僅需要與各種法規及標準規定的安全要求相平衡，而且還需要與考慮實際道路交通事故的各種碰撞形式的設計保護相平衡，只有綜合考慮各種工況的安全設計才能使車輛具有較好的安全性能。