MPDB 及ODB 壁障動靜態力學響應對比分析

王曉平

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

汽車碰撞安全是汽車性能中的重要部分，從18 世紀汽車問世以來，各個國家都建立了各種標準來評價汽車的安全性能。通常實車碰撞試驗可分為以下幾類：正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞、角度碰撞等[1]。偏置（ODB）碰撞屬于正面碰撞中的一種。碰撞車以64 km/h 的速度撞擊壁障，壁障重疊率為40%，該工況主要評價車身安全。ODB 試驗使用靜態壁障，小級別的車輛即使獲得較高的星級評價，與大型車輛發生實際碰撞的受傷概率也明顯高于對方。隨著道路車輛的類型增多，如何保證車輛在碰撞中既能保護本車乘員的安全（耐撞性），又能減少對另一方碰撞車輛造成的傷害（攻擊性），即為碰撞兼容性需要研究的內容[2]。經過多年研究，2020 年E-NCAP 決定使用MPDB 兼容性碰撞工況代替ODB試驗，2021 年C-NCAP 也將隨之引入MPDB 試驗。文章就MPDB 及ODB 試驗用的壁障力學特性進行了研究，分別建立靜態及動態壓潰模型，研究了在相同輸入條件下壁障的力學響應，為后續MPDB 工況車型的開發提供支持。

1 壁障介紹

ODB 和MPDB 試驗使用的壁障主體都是蜂窩鋁結構，但尺寸、規定方式、剛度分配及評價方式不同。

ODB 壁障由蜂窩鋁主體及保險杠原件組成，二者均由正六邊形蜂窩鋁塊構成，但兩部分蜂窩鋁有不同的壓縮強度：蜂窩鋁主體部分的壓縮強度為0.308～0.342 MPa，保險杠原件部分為 1.54～1.711 MPa，壁障整體固定在剛性結構上，具體尺寸如圖1 所示。

圖1 ODB 壁障示意圖

MPDB 采用漸進式結構，壁障縱向分成3 段，A 段和C 段有恒定的壓潰變形力，其中C 段與ODB 主體部分強度相同，A 段與ODB 中保險杠原件強度一致，中段B 變形力是漸進的，壓潰力隨著變形增加而增加，壁障通過螺栓固定在可移動臺車上，具體尺寸如圖2 所示。

圖2 MPDB 壁障示意圖

從蜂窩鋁的布置特點來看，ODB 突出了保險杠部分，而MPDB 將保險杠與前端吸能結構作為整體考慮。2 種壁障的第2 部分長度都是450 mm，但ODB 在該段的蜂窩結構剛度前后一致，而MPDB 則表現為逐漸變強，與現代車輛設計理念相同[3]。

此外，ODB 工況僅對假人的傷害進行評價，而MPDB 除了常規的假人評價外，還需對車輛的兼容性進行評價，具體評價方法包括：壁障變形評價（SD）、壁障擊穿評價（Bottom Out）、乘員負載系數（OLC）評價。

2 壁障力學響應對比

2.1 靜態壓潰

靜態壓潰模型采用如下方式[4]：建立剛性平面，平面整體覆蓋壁障外表面，加載速度為1 m/s，剛性平面在該速度下壓潰至壁障最后位置。圖3 示出2 種壁障在靜態壓潰下的力和位移曲線示意圖。當ODB 及MPDB 分別壓潰至430 mm 及570 mm 后，剛性平面反力急劇上升，后續數值沒有參考意義不做研究。

圖3 壁障靜態壓潰力-位移曲線示意圖

ODB 壁障由2 部分組成，其中保險杠原件蜂窩鋁強度大于主體結構。在開始壓潰階段，變形主要區域為主體蜂窩鋁下部，當壓潰至135 mm 處時，保險杠原件前端逐漸與蜂窩鋁主體上部位于同一平面，剛性平面也開始完全接觸壁障，接觸反力位移曲線表現為逐漸增加上升，當剛性平面移動至430 mm 處后，蜂窩鋁開始被完全壓潰，剛性平面開始接觸至ODB 壁障后端剛性部分，接觸反力迅速上升至無窮大。ODB 壁障壓潰過程，如圖4 所示。

圖4 ODB 壁障靜態壓潰示意圖

MPDB 壁障最前端與ODB 結構不同，前部為平面結構，沒有前端凸起的保險杠原件。剛性平面開始階段已經完全與壁障接觸，接觸反力在初始階段即呈水平狀，大約壓潰至150 mm 處，中部潰縮蜂窩鋁結構開始參與變形，接觸反力開始上升，當壓潰至250 mm 處，最前端蜂窩鋁被完全壓潰，該階段為中部蜂窩鋁變形，反力呈規定斜率上升狀態。MPDB 靜態壓潰過程，如圖5所示。

圖5 MPDB 壁障靜態壓潰示意圖

2.2 動態壓潰

E-NCAP 中對MPDB 壁障動態壓潰做出標定要求[5]：使用1 300 kg 的標定碰撞臺車，臺車前端安裝有管柱結構，并以60 km/h 的速度撞擊壁障，撞擊后壁障力學響應在符合相關要求的范圍內，具體方法如圖6所示[6]。

圖6 MPDB 壁障動態標定示意圖

法規中沒有專門對ODB 所用蜂窩鋁動態試驗做出要求[7-9]，出于對比原因，ODB 壁障也使用與MPDB 相同的試驗條件。撞擊位置按以下要求選擇：在壁障重疊率為50%，75%，100%的前提下，分別再選擇3 個撞擊高度，如圖7 所示：1）剛性裝置最下端與保險杠原件最下端持平位置；2）剛性裝置最上端與保險杠原件最上端持平位置；3）剛性裝置中線與蜂窩鋁主體中線重合位置。共9 個撞擊位置。

圖7 壁障碰撞位置示意圖

圖8 示出MPDB 與ODB 壁障動態力學響應。由于ODB 所有撞擊位置都被小車擊穿，曲線Y 軸僅截取500 kN 以下作為分析對象。

圖8 壁障動態壓潰力-位移曲線示意圖

MPDB 壁障總長度為790 mm，小車撞擊至558 mm處開始反彈。ODB 蜂窩鋁結構在動態沖擊下整體剛度表現較平均，除個別撞擊位置外，其它響應曲線均按固定斜率上升。MPDB 前端壁障響應與ODB 壁障相同，在壓潰至220 mm 后，中部蜂窩鋁開始變形，響應曲線迅速爬升至250 mm 處，該階段表現與靜態壓潰一致，中部壁障參與變形后反力升高。當中間的壁障壓潰至400 mm 時，此時蜂窩鋁結構變形徹底并達到極值，小車運動速度逐漸減慢直至反彈。

3 結論

文章對ODB 及MPDB 壁障進行了比較，分別建立動靜態壓潰模型，研究2 種壁障的力學響應，經過比較可得：

1）根據MPDB 蜂窩鋁布置特點，其整體呈現為逐漸變強的剛度特性，與現代車輛設計理念相同。

2）在靜態壓潰中，ODB 蜂窩鋁主體先變形，隨著壓潰距離的增加，前端保險杠原件開始進入變形，而MPDB 為順序變形，在靜態壓潰中，MPDB 的剛度要大于ODB。

3）在動態壓潰中，ODB 整體剛度表現較為均勻，而MPDB 前端蜂窩鋁剛度與ODB 表現相同，但進入到中間部分后，剛度明顯比ODB 大，標定小車在不同位置撞擊均擊穿ODB 壁障撞至剛性部分，卻未擊穿MPDB。