基于OLC拐點的車體結構較優設計

盧 靜，鄭 顥，歐陽俊，王玉超

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434）

傳統正面碰撞中乘員保護設計可分為車體結構設計和乘員約束系統設計，一般思路為先根據經驗制定車體結構設計開發目標，然后基于優化好的車體結構開展乘員約束系統匹配。給予約束系統匹配更大的容度，這種設計思路存在車體結構設計過剩的現象。為實現精細化設計，有必要建立乘員保護與車體結構設計之間的橋梁，根據乘員保護的需求制定合理的車體結構設計目標。目前國內外已有較多文獻[1-5]研究了加速度波形與乘員損傷的關聯性趨勢，但沒有給出量化的方法并直接指導設計。常見的車體結構設計評價指標包括加速度峰值、速度歸零時刻等，這些指標與乘員損傷有一定關聯性，但不是必然。本文首先基于a-s（加速度-位移）曲線研究了加速度的二階波形簡化，并據此得到車體結構設計指標；然后研究了乘員載荷準則OLC，最后研究了車體結構設計指標、乘員損傷評價指標與乘員載荷準則OLC 之間的量化關系，并得到量化關系表達式，可直接指導車體結構設計。

1 a-s 曲線等效二階波

從波形變化趨勢來看，碰撞波形常見的簡化形式有方形波（ESW）、尖頂方波（TESW）、等效二階波（EDTW），如圖1 所示。對于正面100%剛性壁障碰撞，整車變形吸能區可以分為3 個部分：（1）發動機前端與剛性壁障之間的結構變形D1；（2）發動機后端與防火墻之間的結構變形D2a；（3）防火墻的侵入變形D2b，如圖2 所示。正面碰撞加速度-時間歷程可以分為3 個主要階段：a1（0-t2）、a2（t2-t4）、a3（t4-t6），分界點分別是時刻t2和時刻t4，時刻t2為發動機與壁障接觸時刻，時刻t4為車輛開始反彈時刻。本研究中，發動機懸置斷裂技術的應用使發動機與壁障接觸后不會造成過大的加速度增加，二階加速度的增加主要由發動機與前圍接觸后造成，所以時刻t2設定為發動機與前圍接觸時刻。根據變形區域能量守恒的原理，可以將實車碰撞波形簡化成物理特征明顯的兩階等效波形，包括發動機接觸前圍之前和之后兩個階段，如圖3 所示。其中，a1為吸能空間變形波段（D1和D2a）的第一階等效加速度，a2為D2b變形波段的第二階等效加速度。

圖1 車體加速度擬合形式

圖2 正面碰撞變形區

圖3 等效二階波形

2 乘員載荷準則OLC

OLC 是一項評價車輛減速度的指標，它也是在給定某車輛減速度波形的條件下，通過假定乘員做單純的前向運動而求得的乘員平均減速度，用于評價車輛減速度對乘員作用載荷的大小。2020 版E-NCAP 及2021 版C-NCAP 計劃采用OLC 評價。

OLC 的基本分析方法如下：為避免假人胸部與方向盤發生碰撞，設胸部前向位移量為300 mm。由于安全帶松弛量的存在，假人在不受力的狀態下做勻減速運動，并移動了65 mm 距離。碰撞開始時，乘員先以v0做勻速運動。在速度-時間圖上，設乘員與車輛速度-時間曲線所包圍的面積A1達到65mm2時的時刻為ta，乘員從A段開始以一定減速度做勻減速運動。設乘員與車體速度曲線圍成的A2的面積到達235mm2時，車輛速度-時間曲線上點為B 點。此時定義直線AB 的斜率為OLC。

圖4 OLC 定義

3 結構指標對乘員載荷準則OLC 的影響分析

將實車碰撞波形簡化成等效二階波形后，可以方便地研究波形典型特征對乘員損傷的影響，從而制定合理的結構指標。根據第2 節的描述，將車體結構指標分為車體加速度（包括一階加速度a1、二階加速度a2）和動態位移（表征整車變形量，包括吸能空間和侵入量）。根據能量守恒原則，侵入量不變的情況下，改變一階加速度a1，二階加速度a2也會相應變化；一階加速度a1不變的情況下，改變侵入量，二階加速度a2也會相應變化。所以本文結構研究指標簡化兩種情況：情況一，侵入量不變，改變一階加速度a1；情況二，一階加速度a1不變，改變侵入量。首先基于56 km/h FRB 工況開展了研究。

3.1 一階加速度a1 與乘員載荷準則OLC 的關系

根據第2 節中中等效二階波形的轉換方法，在侵入量不變的情況下，通過改變一階加速度a1，得到16 組加速度波形，分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形16，如表1 和圖5 所示。等效波形轉換后，最大動態位移沒有發生改變，隨著a1的增加，a2呈不同幅度降低。

圖5 不同a1 等效波形轉換

基于第3 節中的乘員載荷準則OLC 的定義，對16 組等效波形進行計算，得到不同等效波形對應的OLC，如表1 和圖6 所示。可以發現，當一階加速度a1≤215.82 m/s2時，OLC 隨著a1的增加呈現降低趨勢，且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC變化量逐漸減低；當一階加速度a1＞215.82 m/s2時，OLC 隨著a1的增加呈現增加趨勢，且隨著一階加速度a1每增加9.81 m/s2，OLC 變化量較小。采用OLC 作為車體結構評價指標，可以將OLC 設定為≤284.49 m/s2，對應的一階加速度a1為215.82 m/s2，二階加速度a2為294.3 m/s2。

表1 不同a1 與OLC

圖6 OLC 與a1 的關系

3.2 動態位移D 與乘員載荷準則OLC 的關系

根據第2 節中等效二階波形的轉換方法，在侵入量不變的情況下，通過改變侵入量D2，得到5 組加速度波形，分別為等效波形1、等效波形2、……、等效波形5，如表2 和圖7 所示。等效波形轉換后，一階加速度a1沒有發生改變，隨著侵入量D1的增加，a2呈不同幅度降低。

圖7 不同侵入量D2 等效波形轉換

基于第3 節中的乘員載荷準則OLC 的定義，對5 組等效波形進行計算，得到不同等效波形對應的OLC，如表2 和圖8 所示。可以發現，當動態位移D每增加10 mm 時，OLC 隨著D的增加呈現降低趨勢。

圖8 OLC 與D 的關系

表2 不同侵入量D2 與OLC

4 乘員損傷與乘員載荷準則OLC 的關聯性分析

基于第3.1 節中的分析，選擇完成對標的有限元約束系統模型，如圖9～13 所示，計算了不同車體結構設計指標a1下的乘員損傷情況，選擇胸部壓縮量作為考察指標，計算結果如表1 和圖14 所示。

圖9 有限元約束系統仿真模型

圖10 頭部加速度

圖11 髖部加速度

圖12 左上肋骨胸壓量

圖13 右上肋骨胸壓量

圖14 不同車體結構設計下OLC 與胸部壓縮量

由圖14 可知，乘員損傷與乘員載荷準則OLC有較強的關聯性，當一階加速度a1＜215.82 m/s2時，隨著a1的增加，OLC 和乘員損傷同時降低，且斜率較為接近；當一階加速度a1＞215.82 m/s2時，隨著a1的增加，OLC 和乘員損傷同時增加，且斜率較為接近；乘員損傷與乘員載荷準則OLC同時出現拐點，且變化斜率較為接近，采用線性擬合，得到OLC 與胸部壓縮量關系表達式y=0.377 7x+12.579，OLC 擬合度R2為0.95，如圖15 所示。

由圖16 可知，乘員損傷與乘員載荷準則OLC有較強的關聯性，隨著D的增加，OLC 和乘員損傷同時增加，且斜率較為接近；采用線性擬合，得到OLC 與胸部壓縮量的關系表達式y=1.2677x+32.175，OLC 擬合度R2為0.97，如圖17 所示。

圖15 不同車體結構設計下OLC 與胸部壓縮量的關系式

圖16 不同車體結構設計下OLC 與胸部壓縮量

圖17 不同車體結構設計下OLC 與胸部壓縮量的關系式

5 關聯性驗證及結構優化設計應用

5.1 拐點現象適用范圍驗證

在第3 節和第4 節的分析結論中，動態位移D不變的情況下，乘員損傷與車體一階加速度a1的關聯性存在明顯的“拐點”現象，這說明在進行車體結構設計時，不能過度提高吸能盒的吸能效率，應合理地控制一階加速度a1的大小。為了驗證上述思路的正確性，基于某實車50 km/h FRB 波形，按文中所述思路進行了分析，得到一階加速度a1與乘員胸部壓縮量的關系，如圖18 所示。結果表明，50 km/h 正面碰撞，在動態位移D不變的情況下，a1加速度由低到高存在一個最適加速度水平，仿真中該水平維持在147.15m/s2左右。在該水平胸部位移達到最小值，繼續增加或減小a1，胸部位移都有明顯增加的趨勢。以不同的碰撞速度進行分析，如表3 所示，都驗證了在車體結構設計時，在動態位移D不變的情況下，不能過度提高一階加速度a1，應尋找最優a1設計方案，結論具有較好的適用范圍。

表3 不同碰撞工況下車體結構設計OLC 拐點

圖18 50 km/h 不同車體結構設計下OLC 與胸部壓縮量

在上述結論中，前提條件是動態位移D不能改變，動態位移D主要由前機艙吸能空間（前吸能空間+后吸能空間）和前圍變形組成，在進行車體結構優化設計時，吸能空間一般是固定不變的，而前圍變形也是被約束的，過大會造成乘員生存空間變小，帶來其他的乘員傷害風險。吸能空間和前圍變形，不同的主機廠都有相應的設計要求，至于如何在造型、車長、軸距等條件約束下，基于正向設計思路得到合理設計目標，是另外需要研究的問題。

5.2 拐點現象車體結構優化設計應用

在某車型進行2021 版C-NCAP 50 km/h FRB 工況設計時，基于已確定的吸能空間及FRB 工況下前圍侵入量的標準，開展一階加速度a1的“最優設計”，如圖18 所示，并確定一階加速度a1應設計在147.15～156.96 m/s2的水平，最終通過約束系統仿真模型的預測，在平臺化約束系統配置下，乘員的胸部壓縮量水平為26.3 mm，見表4。

表4 平臺化約束參數下車體結構設計目標

為了控制一階加速度的水平，車體結構設計方案從吸能盒長度、剛度、截面等方面進行了優化設計。此外，也通過縱梁優化，匹配了前后剛度，控制了中后段的變形模式及時間，確保吸能盒吸能的穩定性。

6 結論

（1）研究了基于位移域的車體加速度等效二階波簡化，可以將車體結構設計目標分解為一階加速度a1、二階加速度a2和動態位移D，較好地體現了能量守恒原則及碰撞過程車體結構變形的過程。

（2）研究了不同碰撞工況下乘員載荷準則OLC與一階加速度a1、二階加速度a2、動態位移D的關聯性：動態位移D不變，一階加速度a1增加，OLC呈現先增加后降低的趨勢，存在明顯拐點；一階加速度a1不變，D增加，OLC 呈現降低趨勢。結論具有較好的普適性。

（3）研究了乘員載荷準則OLC 與乘員損傷的關聯性量化：不同情況下，OLC 與胸部壓縮量呈現高度的正相關，相關系數在0.95 以上。

（4）本文也存在一定的不足，研究內容僅限于全正面碰撞工況，對偏置碰撞工況下的車體結構設計指導意義未知。同時OLC 出現拐點的理論基礎沒有做出解釋，需進一步研究。