一種針對C?NCAP中MPDB工況碰撞兼容性的優化方法

宋和平，徐偉濤，劉廣喜，何戈博，袁立德

（1.寧波吉利汽車研究開發有限公司長興分公司，長興 313100；2.寶能（西安）汽車研究院有限公司，西安 712000；3.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

在世界衛生組織WHO 發布的2018《全球道路安全狀況報告》中指出，每年有大約135 萬人死于道路交通事故，同時還有3 000萬～5 000萬人因交通事故而受損，交通事故對各國造成的損失可達GDP 的3%左右［1］，汽車交通事故已經成為一項重要的死亡因素［2］。

基于以上原因，對汽車安全方面的研究就顯得尤其重要。中國新車評價程序（China new car assessment program，C?NCAP）作為國內汽車安全評價的重要依據［3］，旨在通過各種道路碰撞類型對新上市的車型進行評價，以此來向消費者提供新車的碰撞安全等級。正是由于國家各種安全法規和C?NCAP的持續更新，推動了各大汽車廠商加大對汽車安全領域的研發，保證了我國汽車安全性能的不斷提高。

1 優化汽車結構的需求和背景

C?NCAP 每3 年更新1 次，當前各車企遵行的是2018 年版的C?NCAP，其中乘員保護中的碰撞類型有50 km/h 正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗、64 km/h 正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗（offset deformable barrier，ODB）、50 km/h 可變形移動壁障側面碰撞試驗和鞭打試驗。而在2020年5月發布的最新C?NCAP（2021 年版）意見征集稿中，將64 km/h ODB 的試驗調整為50 km/h 正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗（mobile progressive deformable barrier，MPDB）。相比于64 km/h ODB 試驗，50 km/h MPDB 的壁障類型、碰撞速度、碰撞假人數量和類型都進行了調整。因此為保證2021 年下半年以后上市的車型獲得較高的C?NCAP 安全等級，對車身結構進行適當的優化和調整，就顯得意義重大。

基于以上背景，本文中提出一種優化轎車結構的方法，為行業其他車企提供參考，共同促進乘員安全等級的提高。

2 針對MPDB優化的方向

MPDB 工況的基本示意圖如圖1 所示。試驗車和壁障臺車分別以km/h 的速度相向而行，且二者的重疊區域為試驗車寬的50%，試驗車駕駛員位置放置THOR 50 百分位男性假人，前排乘員座和第二排座椅左側各放置一個Hybrid Ⅲ5百分位女性假人，第二排座椅右側放置一個兒童約束系統和一個Q10兒童假人。

圖1 MPDB工況示意圖

對于假人的評分和優化方向，可沿用以前優化64 km/h ODB 的策略進行適當調整和修改。對這類優化方法，各車企已有較為成熟的CAE 分析方法和優化方式，此處不做具體闡述。重點提一下C?NCAP（2021 年版）相比C?NCAP（2018 年版）增加的一個考察指標——碰撞兼容性。它不僅考察自身車輛的耐撞性，還要考慮對另一車輛的損害性，也即自身車輛的攻擊性［4］。

C?NCAP（2021 年版）的碰撞兼容性主要考察4個指標，如表1 所示。其中標準偏差（standard deviation，SD）指的是蜂窩鋁壁障面上某個特定的評估區域內，樣本單元偏離平均值的程度，如果SD 越大，代表數據離散程度越高。

臺車上乘員載荷準則（occupant load criterion，OLC）指的是碰撞過程中某指定時間區間內，臺車虛擬假人受約束的減速度，可以理解為試驗車輛對另一輛碰撞車乘員的損害度，也就是試驗車輛的攻擊性。

壁障侵入深度指在特定的評估區域內MPDB 壁障的穿透深度。當深度達到630 mm 的面積大于40 mm×60 mm時定義為觸底現象。

壁障侵入高度指前述的特定評估區域的上部區域，MPDB 壁障的壓潰受力情況，用應力云圖的衰減趨勢來進行評估。

表1 MPDB碰撞兼容性評價指標

因為MPDB 碰撞兼容性的得分約占MPDB 總得分的29.2%，且是在C?NCAP 中首次提到的概念，所以對此部分的研究顯得尤其重要。雖然國內外很多學者已對碰撞兼容性進行了一些研究［4-7］，但這些研究主要是針對歐洲的Euro?NCAP 或日本的JNCAP，或針對角度碰撞的兼容性［8］進行的，和C?NCAP 中定義的指標考察項存在差異，專門針對C?NCAP 中的碰撞兼容性的研究相對較少。因此對此部分的深入探討將對行業內其他研究人員優化車身結構很有參考價值，結合CAE 分析結果和實際的優化方案進行介紹。

3 優化方法的實現與結果分析

以吉利某在研車型進行優化方法的實現與分析。此車型基本信息如下：A 級三廂型轎車、傳統燃油車、整備質量1 296 kg，最大允許前軸荷919 kg，車寬1 809 mm，預計上市時間2021年下半年。

首先使用原來針對C?NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 工況的仿真模型，未做任何修改應用到50 km/h MPDB 工況中，碰撞前后對比如圖2 和圖3所示。

圖2 碰撞前效果圖

圖3 結構優化前的碰撞效果圖

其中用青色標記出碰撞的主要受力傳遞路徑。受力路徑上的主要關鍵零部件有：前防撞梁、駕駛員側吸能盒、水箱框架和駕駛員側主縱梁等。

從圖3 的碰撞結果中可以看出，前防撞梁發生折斷，水箱框架發生損毀，駕駛員側主縱梁輕度變形，對應的MPDB應力云圖如圖4所示。

圖4中的矩形邊框內就是按照C?NCAP（2021年版）規定的評估區域，此區域按照如下方式定義：下邊界離地面250 mm，上邊界離地面650 mm，右邊界距離MPDB 壁障面右側邊緣200 mm，左邊界距離MPDB 壁障面右側邊緣的距離是試驗車輛寬度的45%。

圖4 結構優化前的應力云圖

MPDB 蜂窩鋁壁障劃分為50×28=1400 個等距方網格，方格邊長20 mm 應力云圖內不同顏色表示壁障的侵入深度：小于320 mm 的網格標為綠色；介于320～480 mm 的網格標為黃色；介于480～630 mm的網格標為紅色；超過630 mm的網格標為青色。

從圖4 可以看到，評估區域內出現一定面積的青色區域，說明發生了表1 中壁障侵入深度“觸底”現象，造成了較嚴重的扣分。

分析此優化前結構在C?NCAP（2021 年版）中失效的原因，主要在于駕駛員側主縱梁輕微變形，主縱梁侵入蜂窩鋁中評估區域，擊穿了蜂窩鋁；另外因為前防撞梁的斷裂，碰撞時的加速度和能量無法通過防撞梁傳遞到車身非碰撞側（前排右側）進行能量均衡吸收，主縱梁的結構過于剛硬。評估區域內除產生青色區域外，還有大面積的紅色區域，說明結構優化前對MPDB 的碰撞兼容性扣分較多，汽車表現出較強的“攻擊性”。

通過對表1 中列舉的MPDB 衡量指標，結構優化前的SD 值為191.1 mm，OLC 值為31.3g，加上壁障侵入深度的觸底扣分和壁障侵入高度的扣分，總計4.84分，扣分達到69.1%，無法達到本車型C?NCAP的預期目標。

另外通過實車碰撞，驗證CAE 仿真的真實性和可靠性，碰撞后車身結構實物和MPDB 壁障實物如圖5和圖6所示。

圖6 優化前實車MPDB壁障碰撞圖

從圖5和圖6中可以看到，實車的前防撞梁發生折斷，MPDB 壁障也因駕駛員側主縱梁的原因，發生了擊穿，即“觸底”現象。實車的OLC 值是30.2g，模型仿真與實車相差3.5%，實車碰撞結果驗證了CAE模型的有效性和合理性，可以用CAE 的分析結果近似代表實車的碰撞結果。

考慮前面分析在C?NCAP（2021 年版）中失效的原因，以及導致碰撞兼容性差的不合理結構，為達到優化結果的目的，擬從如下幾個方面進行優化：

（1）避免MPDB 壁障出現局部較大的侵入，盡量使碰撞面整體均衡潰縮，也就是減少網格點相對于平均值的離散程度，即減小SD值；

（2）提高前防撞梁的強度，保證碰撞過程中盡量不發生折斷，目的是使碰撞能量傳遞到非碰撞側（前排右側），做到能量的均衡吸收與傳遞；

（3）延長和更改吸能盒結構，使吸能盒能吸收盡量多的碰撞能量；

（4）優化碰撞側主縱梁結構，減弱其X 向的強度，避免出現壁障擊穿，即觸底現象。

基于以上優化的考慮，經過多輪的仿真與實車驗證，確定的車身優化的方案如圖7 所示，具體說明如下。

（1）更改左右兩端吸能盒的吸能結構，厚度從原來的1.6 mm 加厚到1.8 mm，并適當延長，每個吸能盒增加質量0.2 kg，共增加質量0.4 kg；

（2）前防撞梁的左側（碰撞側）適當延長，增加質量0.16 kg；

（3）優化兩側主縱梁的結構，局部剪短，弱化其X向的強度，總共減質量0.337 kg。

將優化后的車身結構再次進行MPDB 碰撞仿真，結果如圖8 所示，對應的應力云圖見圖9。結合表1中CNCAP?2021定義的碰撞兼容性評價指標，優化前后分數對比見表2。

圖7 優化方案前后對比

圖8 結構優化后的碰撞效果圖

與圖3優化前的結果相比，從圖8中可以明顯看出如下改善：

（1）前防撞梁沒有發生折斷，且整體變形比較均勻，直接的好處就是減小了SD 值，另外的優點是前碰撞傳感器被損壞的概率大幅降低，更利于安全氣囊控制器ACU 感知到前碰撞傳感器的信號［9］，以合理彈出安全氣囊；

（2）水箱框架損毀情況得到減輕，得益于前防撞梁將碰撞能量較均衡地傳遞到左右兩側，以及兩側吸能盒吸收了更多的能量，根據CAE 分析結果進行估算，吸能盒的吸能量比原來提升15%；

（3）駕駛員側主縱梁沿著Y方向發生較大彎曲，可大概率避免MPDB 壁障侵入深度的觸底現象，防止MPDB壁障被擊穿而扣分。

圖9 結構優化后的應力云圖

表2 MPDB碰撞兼容性分數對比

與圖4 相比，圖9 的應力云圖改善效果明顯，首先消除了評估區域內的“觸底”現象，另外紅色區域面積也相應縮小。關于表1 中列舉的MPDB 衡量指標，結構優化后的SD 值為122.9 mm，OLC 值為31.4g，加上壁障侵入深度的觸底扣分和壁障侵入高度的扣分，總計扣分2.311，扣分率33%，相比于優化前的扣分4.84，整體分數提高2.529分，得分提高了1.17 倍，扣分降低了52.25%，優化后的MPDB 壁障結構見圖10。

圖10 優化后的MPDB壁障結構圖

4 結論

對C?NCAP（2021 年版）中首次引入MPDB 工況和首次提出碰撞兼容性評分指標進行了介紹，并針對某在研A 級轎車的碰撞兼容性提出了一種優化方案，經過驗證，與C?NCAP（2018 年版）中64 km/h ODB 的工況結構相比，優化后的碰撞兼容性得分提高了1.17 倍，為汽車行業內其他研究人員優化在研車型，尤其是碰撞兼容性方面的改善，提高C?NCAP（2021年版）的得分與星級提供了參考。

基于當前的結構優化，初步評估在研車型可以得到C?NCAP（2021 年版）四星級，為進一步達到五星級的目標，后續將從優化假人傷害值、提升主動安全得分率、提高乘員保護得分率等方面進行持續改進。

同時，因為C?NCAP（2021 年版）目前還處于意見征集稿階段，可能還會對評價指標有細微調整，因此后續工作中，將根據C?NCAP（2021 年版）最終版本持續優化模型結構，并基于當前的CAE 仿真和實車碰撞試驗結果，對在研車型進行持續優化。