基于吸能率的車輛碰撞相容性分析及優化設計

詹振飛，王 杰，付 月，路高輝，周桂林，陳 崇，李 潔

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶，400064；2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122）

隨著我國汽車保有量的不斷提升和道路交通環境的不斷復雜化，道路交通安全的提升也備受重視。一方面，由于近年來國內較大尺寸車型如SUV車型銷量的急劇增加，導致大尺寸車輛與轎車等小尺寸車輛之間的交通事故也隨之增加；另一方面，道路上也陸續出現新能源汽車、老年代步車以及智能汽車等車身結構形式有別于傳統汽車的新型車輛。這些不同尺寸車輛的加入將直接導致基于傳統汽車安全技術的車輛安全可靠性有所下降，亟需引起重視并開展針對性研究。

正面偏置碰撞是交通事故中常見的碰撞類型[1]，而在Euro NCAP成立時便通過引入正面40%碰撞試驗[2]來模擬兩車迎面偏置碰撞情形，最終只是片面地對車身的耐撞性能提出了較高的要求，但實際情況是相撞兩車之間質量和結構上的差異導致能量不能被有效吸收，給對方車輛和乘員造成巨大傷害。該碰撞試驗暴露出其忽略受擊車輛的速度、質量對碰撞響應的影響和忽視目標車輛過高的防撞性能對受擊車輛侵入性的影響等弊端。汽車防撞性是車輛自我保護特性的一種體現，侵入性是指目標車輛對受擊車輛及其乘員的潛在威脅性[3]，碰撞相容性則是兩者結合的一種概念，旨在找尋車輛防撞性和侵入性的平衡點，使之達到既能依靠車身結構防撞性保護本車乘客，又能降低其侵入性從而減小對受擊車輛及乘員的威脅。為了實現車輛具備碰撞相容性，國內外汽車研究機構先后展開了相關試驗和研究，1970年EVS會議上首次提出車輛相容性概念[4-6]。而后IIHS[7]為增強車輛碰撞相容性提出增加轎車和輕型卡車的前端吸能結構幾何重疊的建議。2013年，CHRISTOPH等[8]開發了與車型組成相關的衡量車輛本質安全的指標SPI，并用該指標來評判歐洲國家交通相容性的好壞程度。2014年SADEGHIPOUR等[9]針對當前安全法規對微型汽車相容性評估的局限性，比較了測試標準和研究項目的當前評估方法，基于AE-MDB進一步研究開發出評估微型汽車正面碰撞相容性的方案。國內，朱西產等[10]率先指出正面碰撞試驗未考慮碰撞相容性問題，并為改善市場現有車型的相容性做了相關研究[11]。2010年，張金換等[12]指出車輛設計中，互逆地影響碰撞過程中兩車乘員受傷幾率的設計差異和相似之處會導致碰撞不相容性，并呼吁研究人員重視汽車結構剛度和幾何外形之間的相容性。2016年，胡志遠等[13]指出碰撞相容性3個主要因素并結合有限元技術對其進行驗證，還針對車輛前部剛度和幾何特征提出改進方案。結合國內外研究狀況，國外學者基于碰撞事故數據統計特征對相容性問題展開了其普遍性、解決措施、評價標準等較為全面的研究，但國內只做了對部分國外研究成果的深入研究，對初具雛形的碰撞相容性法規和安全標準體系缺乏思考和理解，有待進一步探索和完善。

本文擬就車輛碰撞相容性的分析及優化展開研究，主要內容如下：首先總結了在C-NCAP試驗規程下針對MPDB工況有關碰撞相容性指標的分析計算過程，提出并驗證了新型評價指標——吸能率；然后詳細闡述了基于參數化模型自動更新的方案，以及基于參數化模型的車輛碰撞相容性的優化設計；最后通過工程實例驗證了提出方法的可靠性。

1 車輛碰撞相容性評價指標分析

本節基于C-NCAP試驗規程，對前端壁障變形量標準偏差及乘員載荷準則進行解析。

1.1 前端壁障變形量標準偏差

前端壁障變形量標準偏差SD用于衡量在壁障表面規定的評估區域內，樣本單元侵入深度偏離平均值的程度。SD越大，數據離散程度越高，反映了試驗車輛前端結構的幾何形狀以及均勻性。其分析流程如下：

（1）定義壁障評估區域。為了評估試驗車輛縱梁及縱梁周邊的區域，在前端障礙正面定義了一個與車輛寬度相關的評估區域。

（2）創建基準面及等距網格節點。在壁障正前表面上創建以20 mm為邊長的等距網格節點（總共50×28=1 400個節點）和基準面。

（3）通過掃描試驗后的鋁蜂窩壁障3D表面點云數據獲取坐標值。

（4）通過統計各節點碰撞時的投影距離得到侵入深度，利用標準偏差公式求得SD值。

（5）結合侵入深度分布云圖分析試驗車前端造型結構尺寸等參數，發現壁障右下部分區域為侵入嚴重區域。

1.2 乘員載荷準則

乘員載荷準則（OLC）是衡量試驗車輛對受擊車輛車內乘員造成的動態沖擊響應的指標，其分析流程如下：

（1）建立模型。在臺車上設置具有安全帶約束的虛擬乘員，設立碰撞過程各階段的速度、位移、加速度等物理量。

（2）分析計算。根據所建立的模型測得x向加速度曲線Ax，濾波后利用積分求得速度曲線。

1.3 基于C-NCAP規程綜合分析評價指標

SD指標最高罰分為2分，若SD值小于50 mm，不罰分；大于150 mm，則罰2分。處于兩者之間采用線性插值的方法計算出相應罰分。計算公式為：

而對于OLC指標，若OLC值小于245.25 m/s2，不罰分；大于392.40 m/s2，則罰2分。處于兩者之間采用線性插值的方法得出相應罰分。基于C-NCAP規程，綜合考慮SD和OLC兩項指標，在同樣的SD水平上，隨著OLC的增大，OLC修正罰分線性增加，SD修正罰分不變。

2 基于吸能率的相容性評價指標

目前相容性指標對目標車輛侵入性的量化嚴重缺乏連續性和普適性，本節提出了一個新型相容性評價指標——吸能率。

2.1 吸能率的定義及優勢

吸能率是指壁障評估區域所吸收的能量或試驗車輛對壁障評估區域造成的能量沖擊，與壁障評估區域所能承受的最大吸能量的比率。

一方面，評估區域能量吸收率rE反映了試驗車輛對壁障評估區域造成的能量沖擊與其所能承受的最大吸能量的比率。其取值范圍為[0, 1]，可直接量化試驗車輛的攻擊性。該值離1越近表示壁障評估區域所吸能量越大，試驗車輛對評估區域的能量沖擊越強。

另一方面，由于目前漸進式可變性壁障處于研發初始階段，模型參數單一，很難滿足不同前端結構造型和不同質量車輛的試驗要求。該研究成果通過壁障評估區域能量吸收率可以量化MPDB試驗中，試驗車輛對壁障評估區域造成的能量沖擊與其所能承受的最大吸能量的比率，為后續研究中壁障模型的修正和更新，以及新型壁障的開發和應用提供參考和借鑒。

2.2 吸能率指標的驗證分析

（1）基于初始模型設置了15組不同速度的目標車輛有限元算例進行仿真計算。具體驗證工況設置為：臺車靜止，目標車輛質量不變，改變其速度。分別進行仿真計算，提取壁障加速度峰值，計算壁障評估區域基于動能轉換的吸能量和能量吸收率。結果見表1。

表1 對應15組不同速度的目標車輛的壁障評估區域吸能情況

利用上表數據繪制吸能率與車速平方和壁障加速度峰值的相關性散點圖，如圖1～2所示。

圖1 吸能率與車速平方的相關性

圖2 吸能率與壁障加速度峰值的相關性

由圖可知，吸能率與車速平方和壁障加速度峰值之間的相關系數均在0.9以上，表現為極強相關。

（2）基于初始模型另外設置了15組不同質量的目標車輛有限元算例進行仿真計算。具體驗證工況設置如下：臺車靜止，目標車輛初始速度均為65 km/h，改變其質量。利用有限元前處理工具獲取整車模型的質心坐標，新建component，定位至質心處，通過mass單元對該component賦予需要增加的質量，以實現變質量操作。進而分別進行仿真計算，提取壁障加速度峰值，計算壁障評估區域基于動能轉換的吸能量和能量吸收率，結果見表2。

利用表2中的數據繪制吸能率與整車質量和壁障加速度峰值的相關性散點圖，如圖3～4所示。

表2 對應15組不同質量的目標車輛的壁障評估區域吸能情況

圖3 吸能率與整車質量的相關性

圖4 吸能率與壁障加速度峰值的相關性

由圖可知，吸能率與質量和壁障加速度峰值之間的相關系數均在0.9以上，表現為極強相關。

綜上所述，通過采用控制變量法，分別探究了質量一定時，吸能率與目標車輛的不同初速度之間的線性相關程度；車速一定時，吸能率與目標車輛的不同質量之間的線性相關程度。并同時對比兩組仿真數據中吸能率與壁障加速度峰值之間的線性相關程度，結果均表現出極強的相關性。說明吸能率指標能夠有效衡量目標車輛在一定且較寬泛的能量轉換范圍內的攻擊性程度，可以作為新型相容性評價指標。

3 基于相容性的參數化設計與優化

3.1 參數化設計

結合前端結構設計參數對相容性指標的影響機理，在整車模型的基礎上選取前端結構中對碰撞相容性能影響顯著的關鍵部件的材料參數和厚度屬性進行參數化賦值。配合移動漸進式可變性壁障，利用一系列有限元軟件工具研究車輛前端不同的結構參數對相容性指標的影響，以提高碰撞相容性能為優化目標，對前端結構關鍵參數進行匹配優化，建立一套面向碰撞相容性的前端結構參數匹配最優構型，有效地提高碰撞相容性能。

本文面向某乘用車車型，基于Accord 2014整車有限元模型，依據企業級建模標準，設定單元目標尺寸為8 mm，網格尺寸范圍為4～10 mm，根據幾何特征差異性選取合理的單元類型對整車模型進行網格劃分，并選取其保險杠防撞梁、防撞橫梁等對碰撞相容性能產生影響的關鍵部件，在此基礎之上展開對碰撞相容性能的優化分析。具體的參數化優化技術路線步驟如下：

（1）確定以降低各相容性指標壁障變形量標準差SD（取碰撞結束時刻）、乘員載荷準則OLC與吸能率rE為優化目標，并把車輛耐撞性能和對乘員的保護性能法規限值作為約束條件。

（2）分析車輛前端部件參數特點，選擇設計變量并確定取值范圍。

（3）由于初始有限元模型零部件繁多，結構復雜，計算資源需求較高，直接通過有限元分析開展優化很難滿足參數化優化的設計要求。因此，需要簡化初始模型，將對關注參數和輸出指標影響較小的零部件進行改形或刪減，得到計算精度仍滿足需求但求解效率顯著提升的簡化模型。

（4）在簡化模型的基礎上對所關注的前端構件進行參數化賦值。

（5）采用拉丁超立方試驗設計方法對設計空間進行采樣，批處理調用仿真模型計算獲取60組設計變量匹配組合及相容性指標測量值。

（6）利用獲得的設計變量和相容性指標測量值搭建滿足預測精度標準的近似模型，選擇NSGA-II遺傳算法對優化問題進行迭代計算，并對近似模型擬合預測的優化結果進行仿真和驗證。最后，分析優化結果并得出結論。

3.2 優化目標確定和設計變量選取

在對碰撞相容性指標進行優化設計前，首先需要選定合理的設計變量及其取值上下限，并確定約束條件。結合目前研究的試驗結果和本文的仿真結果可知，對碰撞相容性指標影響最為顯著的零部件集中在車輛前部。保險杠防撞梁和橫梁緩沖件是車身上典型的高強度薄壁安全件，是影響汽車碰撞安全性的關鍵零部件。前縱梁是MPDB偏置碰撞中最主要的吸能部件，擔負總碰撞能量的60%左右。因此，選取防撞橫梁、橫梁緩沖件以及前縱梁等的材料參數和厚度作為設計變量。

圖5 設計變量分布

表3 設計變量初始值及其取值范圍

3.3 訓練樣本獲取及相關性分析

圖6為搭建的一套基于Bat文件調用功能的集參數化設計、仿真計算和后處理為一體的相容性指標樣本獲取自動化流程。

圖6 自動化流程

通過拉丁超立方采樣生成設計變量DOE矩陣，通過參數化接口調用各組設計變量以驅動有限元模型更新；保存該模型和變量以進行此輪計算；然后從輸出結果中提取并保存所關注的相容性指標曲線和數據。進而更新變量以驅動有限元模型自動更新前端結構方案，運行計算，直到最終獲得60組樣本數據。分析有限元模型求解獲得的60組樣本數據，計算出各個相容性指標和設計變量之間的相關系數，如圖7所示。由圖7可知，前端壁障變形量標準偏差與防撞橫梁和橫梁緩沖件的屈服強度和厚度屬性呈顯著正相關。由圖8可知，乘員載荷準則與前縱梁設計參數呈顯著負相關。由圖9可知，吸能率與橫梁緩沖件設計參數相關性并不高，與防撞橫梁和前縱梁設計參數呈顯著負相關。綜上所述，各相容性指標與前端結構設計參數之間的相關性存在較大差異，各相容性指標之間也存在一定的矛盾和制約關系，如防撞橫梁設計參數對前端壁障變形量標準偏差和吸能率的影響規律幾乎是相反的，因此，有必要提出一種權衡機制來對設計參數進行折中考慮。

圖7 前端壁障變形量標準偏差SD

圖8 乘員載荷準則OLC

圖9 吸能率rE

3.4 近似模型的搭建和精度評價

隨著有限元模型精度的提升和模型復雜程度的增加，直接通過有限元分析開展優化很難滿足現代車身設計與開發的要求。用近似模型來代替仿真模型進行優化設計，加快了計算速度，節約了計算成本。根據響應逼近函數形式的不同，代理模型代理方法主要包括多項式響應面（PR），Kriging模型（KR），高斯過程（GP）和徑向基函數（RBF）等。

采用確定性系數R2作為代理模型預測精度的評價指標，R2表明了模型對設計空間內樣本數據的逼近程度，R2的取值范圍為[0,1]，其值越接近1，逼近程度越高，則代理模型的有效性越高。

考慮到計算結果的線性程度，對各相容性指標壁障變形量標準差SD、乘員載荷準則OLC和吸能率rE分別建立多項式響應面擬合模型（PR）、Kriging（KR）、高斯過程（GP）和徑向基函數（RBF）4種代理模型。分別計算近似模型的確定性系數R2來表征近似模型的預測精度。

根據近似模型預測精度，選取徑向基函數（RBF）作為壁障變形量標準差（SD）的近似模型，選取Kriging（KR）作為乘員載荷準則（OLC）和吸能率rE的近似模型。

3.5 優化求解及結果驗證分析

根據IIHS對車輛耐撞性能安全等級的評定標準和C-NCAP試驗規程要求，以耐撞性侵入量表征值、乘員損傷指標和相容性指標三個方面的相關性能限值作為約束條件。優化問題的數學表達式如下：

確定優化問題之后，利用modeFRONTIER優化平臺，搭建面向碰撞相容性的參數化優化框架。

采用DEB等[15]開發的NSGA-II遺傳算法，基于構建好的近似模型進行碰撞相容性優化設計。選取R2最大的近似模型組合之后，利用均勻拉丁超立方抽樣方法隨機產生30組樣本數據作為初始種群，再利用NSGA-II遺傳算法進行50次遺傳迭代，一共進行1 500次搜索尋優。各目標在600次迭代（20代）左右開始收斂，并于50代左右收斂于全局最優，最后采用理想點法選取最終優化解。

根據有限元輸出結果，實際優化后的壁障變形量標準差SD在碰撞結束時刻的值為84.8 mm，降低了20.6%。實際優化后的乘員載荷準則OLC的值為263.889 m/s2，降低了9.7%。實際優化后的吸能率指標rE的值為0.459，降低了7.6%。

4 結論

本文針對車輛碰撞相容性的分析及優化設計開展研究，基于C-NCAP試驗規程的MPDB工況碰撞相容性指標進行剖析計算，隨后提出了新型評價指標吸能率并驗證其合理性。并以提高車輛碰撞相容性能為目的，更新了參數化模型，并進行優化求解，形成一套集成試驗設計方法、近似模型技術、全局優化算法的參數化模型驅動的高效優化策略。最后通過實例驗證，本文提出的設計方案在滿足結構耐撞性能和乘員損傷性能標準的同時，能顯著提升車輛碰撞相容性能。

致謝

本研究為汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室開放課題（NVHSKL-202108），重慶技術創新與應用項目（cstc2020jscx-msxm1763）資助項目，特此感謝。