基于C-NCAP MPDB的某純電平臺碰撞兼容性提升

王翼 戴尹安 田林 寧行明

（威馬汽車科技集團有限公司，成都 610100）

主題詞：移動漸進可變形壁障（MPDB）碰撞性能 兼容性 前端結構

C-NCAP Chinese New Car Assessment Programme

E-NCAP Euro New Car Assessment Programme

MPDB Mobile Progressive Deformable Barrier

OLC Occupant Load Criterion

SD Standard Deviation

THOR Test device for Human Occupant Restraint

1 前言

目前，汽車安全性能逐漸被廣大消費者所了解重視。在現有碰撞法規體系下，各廠家開發的車輛在碰撞中對自身的保護性能逐步提升，安全指標越來越高。但是在車與車碰撞事故中，由于各廠家各個車輛在外觀、質量以及結構和剛度方面有所不同，導致車輛在碰撞中的傷害特征和變形形式也不盡相同。早在1996年，歐洲車輛安全促進委員會第15工作組（EEVC-WG15）就車輛碰撞兼容性改進方面開展了相關研究，主要就乘用車的碰撞相容性方面研究，分析集中在車輛前端結構作用、乘員艙強度、前端碰撞力水平和變形、碰撞波形和約束系統4個方面。自2010年以來，德國全德汽車俱樂部（ADAC）持續開展對車與車碰撞試驗的研究，通過交通事故分析和研究，推出了新型MPDB車對車碰撞試驗,新增車輛攻擊性的評價指標，用壁障均勻性指標SD、臺車乘員載荷指標OLC和蜂窩鋁擊穿情況來綜合判定車輛的碰撞相容性。2020年1月，E-NCAP正式實施MPDB碰撞試驗以評價車輛碰撞相容性指標，中國C-NCAP也于2021年正式公布MPDB碰撞試驗規則，并于2022年1月正式實施。

車輛如何在碰撞事故中降低對方碰撞車輛的傷害，平衡不同車輛相互之間的兼容性，逐步成為目前汽車安全發展的首要環節。因此，本文基于CNCAP MPDB碰撞試驗兼容性評價指標，以原有某純電平臺某車型為研究對象，通過實車試驗，發現現階段車輛兼容性性能存在的設計問題，通過實驗結果分析，結構缺陷研究整改，方案CAE仿真驗算，再到改進措施最終實車測試驗證，研究總結在現有車輛設計狀態下如何較快速低成本優化提升兼容性性能的開發經驗，為該平臺后續車型兼容性性能開發提供有效參考。

2 MPDB碰撞試驗工況簡介

2.1 試驗方法

車輛與MPDB壁障小車互相以50 km/h的速度進行碰撞，重疊量為50%，壁障小車質量為1 400 kg，壁障離地高度為150 mm，在試驗車輛的駕駛員位置放置50百分位的THOR假人，前排乘員和第二排左側位置放置5百分位的HybridⅢ女性假人，第二排右側位置放置Q10兒童假人。試驗碰撞形式如圖1所示。

壁障結構如圖2所示，主要由吸能塊和連接板組成。不同的吸能塊強度不一致，具體強度分布為吸能塊C＜吸能塊B＜吸能塊A。

2.2 兼容性評分

兼容性評價基于4個參數：臺車乘員載荷準則、試驗后壁障變形量標準偏差、壁障侵入深度和侵入高度。實施的第一階段時間為2022年1月至2022年12月，兼容性最高罰分為3分；第二階段于2023年1月開始實施，最高罰分為6分。

圖1 50 km/h MPDB碰撞工況形式

圖2 50 km/h MPDB碰撞壁障形式

2.2.1 臺車乘員載荷準則

通過MPDB壁障臺車重心的向加速度A積分獲得MPDB壁障臺車的速度曲線V（CFC180濾波），如式（1）。

式中，為壁障臺車在=0 s時刻的初始速度。

MPDB臺車上虛擬假人自由向前移動65 mm時對應時刻為；虛擬假人開始受到約束，向前移動235 mm時對應時刻為。至時間內假設虛擬假人受約束的減速度是恒定的，該值即為。計算公式如式（4）、式（5）。

式中，為壁障臺車初始速度；()為壁障臺車速度曲線；為碰撞過程中虛擬假人相對壁障臺車運動0.065 m的時刻；為碰撞過程中虛擬假人再相對壁障臺車運動0.235 m的時刻；OLC為碰撞過程中虛擬假人至時刻速度曲線的斜率。

指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2分。若值小于25 g則不罰分；大于40 g，則罰最高分。處于兩者之間采用線性插值的方法得出相應分數，該分數采用四舍五入的方法保留到小數點后3位。

2.2.2 壁障變形量標準偏差

碰撞后壁障的變形標準偏差計算方式參考如下：

（1）試驗前，在壁障表面上創建以20 mm為邊長的等距網格點（總共1 400點）；

（2）試驗后，掃描變形壁障，生成最大單元尺寸不大于10 mm的網格；

（3）沿著碰撞方向，將（1）所得的網格點投影到（2）變形壁障表面上，計算評估區域每個點的侵入量。

壁障面上評估區域為矩形（圖3），其下邊界位于地面以上250 mm處（距離壁障面下邊緣100 mm），上邊界位于地面以上650 mm位置處；右邊界距離MPDB面右側邊緣200 mm處，左邊界與試驗車輛寬度相關，距離MPDB面右邊緣的距離為車寬的45%。

圖3 壁障評價區域定義

（4）計算（3）中評價區域內所有網格侵入量的標準方差如式（6）。

式中，x為網格點侵入量；x為網格點平均侵入量。

值用來衡量在壁障面評估區域內，網格單元偏離平均值的程度。值越大，數據離散程度越高，說明壁障變形越不均勻。該指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2分。若值小于50 mm，不罰分；大于150 mm，則罰最高分。處于兩者之間采用線性插值的方法計算出相應分數，該分數采用四舍五入的方法保留到小數點后3位。

2.2.3 壁障侵入深度

在1.2.2中所述的壁障評估區域內，若壁障變形侵入深度達到630 mm的面積大于40 mm×60 mm，定義為“觸底”。當出現“觸底”現象，則罰最高分。該指標實施第一階段對應最高罰分為1分，實施第二階段對應最高罰分為2。

2.2.4 壁障侵入高度

對于整備質量狀態下，測試車輛縱梁前端底部高度大于508 mm的車輛，若試驗后壁障評估區域上邊界650 mm上方區域內，因主吸能結構至少造成連續6個單元（面積為20 mm×20 mm）的壓潰深度超出480 mm，且超出480 mm區域的變形云圖無衰減趨勢（圖4），則罰1分。

圖4 侵入高度示例（粗線區域為深度超出480 mm區域）

結合目前主流乘用車結構設計及本文中該純電平臺車型前端結構情況，車輛前端底部高度低于508 mm（圖5），不存在罰分情況，因此本文不再分析關注壁障侵入高度情況。

圖5 某純電車型前端底部示意

3 現有車型兼容性現狀

為支持平臺后續改款車型滿足21年以后上市車型可以取得C-NCAP 5星級成績，對純電動平臺某款車型開發中進行MPDB試驗摸底，分析該車型兼容性評分指標情況。具體試驗車整備質量參數如表1所示。

表1 純電動平臺某款車型整備質量參數 kg

3.1 臺車乘員載荷準則OLC

依據上文中評價指標計算方式，可得試驗中壁障小車的值為31.9 g（圖6），按第一階段實施罰分為0.46分，按第二階段實施罰分為0.92分。

圖6 試驗壁障臺車OLC

3.2 壁障變形量標準偏差SD

試驗后獲取的壁障變形實物如圖7所示，掃描后網格圖如圖8所示，按上文所述確定的評價區域內所有網點差值如圖9所示，計算標準方差值為178 mm，已經超過150 mm，按第一階段實施罰分為1分，按第二階段實施罰分為2分。

圖7 試驗壁障變形情況

圖8 試驗壁障變形掃描網格

3.3 壁障侵入深度

依據表1評價區域壁障測量點差值，試驗后存在“觸底”現象（圖9中虛線區域），并且侵入量超過630 mm區域面積約140 mm×140 mm，超過40 mm×60 mm，罰分為1分。

圖9 評價區域壁障測量點差值

3.4 結論

綜上試驗結果，該平臺車型在MPDB碰撞中兼容性評價匯總如表2所示，值超過了評價最高值150 mm，罰分無論第一階段還是第二階段，都是最大罰分；另外，壁障變形深度超過630 mm區域也過大，存在“觸底”，罰分值也達到了最大，兼容性指標已經很難達到開發目標要求。

表2 平臺某車型兼容性指標試驗結果

4 原因分析及改進提升

4.1 原因分析

依據動量守恒和動能守恒準則，將MPDB碰撞試驗簡化為2車碰撞下的理論模型，2車的速度變化量與質量成反比，測試車輛越重，自身車輛的速度改變量就越小，而造成對方車輛的速度改變量就越大。參照上文表1可得，本例試驗車輛質量大于試驗壁障臺車質量（1 400 kg），臺車所受沖擊較大，速度改變量較大，因而臺車值也較大。

本例試驗中，值已經超過最大罰分值，并且存在壁障“觸底”現象，與車輛碰撞過程中剛度與吸收能量分配有關。值大小反應出評價區域內壁障變形的均勻程度，對比試驗車輛前端結構與MPDB壁障的重疊區域（圖10），及試驗后評價區域壁障測量點差值（圖9），壁障變形大的區域集中對應在左側縱梁位置，這也是導致值偏大的原因，詳見4.1.1~4.1.3。

圖10 試驗車輛前端結構與MPDB壁障重疊區域示意

4.1.1 前防撞梁尺寸過小

防撞梁設計橫向（向）寬度過小，輪罩側邊梁與防撞梁之間存無碰撞傳遞結構（圖11），壁障評價區域內外側約1/3區域未完全參與碰撞吸能變形。另外，防撞梁垂向（向）高度不足，臺車壁障受力較為集中（圖12），且變形過大導致應力集中存在斷裂風險（圖13）。

圖11 試驗車輛碰撞結構俯視示意

4.1.2 前端結構單一

車身前端結構碰撞傳遞路徑單一（圖12），前縱梁下部無碰撞傳遞結構與副車架連接，副車架未參與碰撞，壁障評價區域下方約1/2區域未完全參與碰撞吸能變形。

4.1.3 前端剛度過強

車輛前端吸能盒及縱梁剛度較強，碰撞中壓潰變形較小（圖13），縱梁直插對應壁障區域，導致侵入變形量很大；縱梁高度約120 mm，與試驗“觸底”區域高度140 mm相吻合。

圖12 試驗車輛碰撞結構側向示意

圖13 試驗后前端結構變形情況

4.2 優化改進

本例中該平臺車型質量大于壁障臺車質量，屬于“重車”，依據兼容性碰撞的研究結論，適當增加車輛前懸并在吸能強度匹配合理的情況下，可以容易降低值；但對于平臺改款車型，前懸布置空間幾乎不變，若平臺改動量較大，則不利于車型開發成本及時間的控制。對比目前行業車輛兼容性碰撞試驗結果，車輛整備質量與值相關性研究，目前該平臺車型處于平均正常水平（圖14），故暫不對值做提升優化，重點優化值及“觸底”問題上。

優化值及“觸底”的問題，主要在于前端結構的改進，與車輛整備質量相關性較小，可通過變換前端結構傳遞路徑和分散前端結構碰撞能量來改善蜂窩鋁均勻性指標?；谏衔闹性撥囆驮囼灪蟮慕Y果及原因分析，重點優化方向針對防撞梁及前縱梁轉遞路徑上，具體改進措施見4.2.1~4.2.3。

圖14 壁障臺車OLC與試驗車輛整備質量（m）曲線[13]

4.2.1 前防撞梁

前防撞梁作為MPDB碰撞接觸變形重要結構件，需要足夠的強度及抗折彎性能，保證有效的變形模式。針對改款車型，材質更改有延展性更高度鋁合金型材，能有效提升抗彎性和壓潰性；截面形式由原來的“口”型更改為“日”型，有效垂向截面尺寸由原來的90 mm提升至124 mm（圖15），橫向寬度相比原結構外伸約110 mm（圖16），在原車型布置空間內增加評價區域內防撞梁對壁障的覆蓋面積約82.7%。

圖15 改進前后防撞梁Z向截面尺寸對比

圖16 改進后車輛碰撞結構俯視示意

4.2.2 副車架

在原副車架上增加副車架縱梁，截面形式為封閉“口”型結構，補缺原傳遞路徑縱梁下方的區域，并通過縱梁端板結構與原縱梁連接，形成新的碰撞傳遞路徑。新設計的副車架縱梁前端高度以壁障評價區域下邊界為參考，解決原壁障評價區域下方1/2區域無碰撞傳遞結構問題（圖17、圖18）。

4.2.3 前端結構

輪罩側邊梁往前延伸，下移與縱梁端板結構連接，將原車型壁障評價區域左側碰撞結構未覆蓋面積減少至1/4，與新增的副車架縱梁形成新的碰撞傳遞路徑（圖17、圖18）。

圖17 改進后車輛前端結構與MPDB壁障重疊區域示意

圖18 改進后車輛碰撞結構側向示意

5 仿真分析及實車驗證

5.1 仿真分析

建立改進后車身結構分析模型（圖19），具體參數如表3所示，仿真分析車輛參數與原車型相當。

圖19 改進后車型MPDB仿真模擬分析模型

通過仿真分析模擬，改進后車型在MPDB中兼容性指標具體結果見5.1.1~5.1.2。

表3 改進后仿真分析車型整備質量參數 kg

5.1.1 壁障臺車

改進后壁障臺車曲線如圖20所示，其值為35.4 g，相比優化前試驗值有所上升，分析原因這與壁障模型精確度和質量變化有關，總體處于同一水平，待后續實車驗證。

圖20 改進后仿真分析壁障臺車OLC曲線

5.1.2 壁障變形量標準偏差

改進后仿真分析壁障變形情況如圖21所示，總體變形情況較改進前有較大改善，讀取壁障變形掃描網格（圖22），評價區域內變形情況，無擊穿觸底現象，變形均勻，按評價指標計算標準方差值為85.4 mm。

圖21 改進后仿真分析壁障變形情況

圖22 改進后仿真分析壁障變形掃描網格

通過改進后車型仿真分析最終結果（表4），在值及觸底兩項上優化提升明顯，罰分相比老款車型大幅降低，達到設計改進的目標要求。

表4 改進后車型在MPDB中兼容性指標仿真分析結果

5.2 試驗驗證

改進后模型仿真分析顯示，在MPDB中兼容性指標均優化明顯，將理論改進方案實施在該平臺改款車型上，再一次進行實車碰撞試驗（圖23），改進后車型參數如表5所示。前后試驗對比驗證改進方向可靠性，為仿真分析對標提供試驗依據，為后續兼容性指標開發提供經驗參考。

圖23 該平臺改進后車型實驗實車狀態

表5 改進后試驗車型整備質量參數 kg

5.2.1 壁障臺車

改進后實車實驗壁障臺車曲線如圖24所示，其值為32.86 g，略高于優化前車型（31.90 g），原因主要在于試驗車輛整備質量的增加，及前端結構的變化，處于同級別車型行業正常水平，但是低于仿真分析值。

圖24 改進后試驗壁障臺車OLC曲線

5.2.2 壁障變形量標準偏差

改進后試驗所得壁障臺車變形如圖25所示，測量區域變形均勻，并且無擊穿觸底現象。評價區域內的壁障變形測量點差值如圖26所示，計算變形量標準偏差僅77.93 mm，略低于仿真分析值，較改進前試驗值（178 mm）降低十分明顯。測量區域下部小塊區域（圖25、圖26圓圈標記區域）因新增車架碰撞傳遞路徑結構變形不充分（圖27圓圈標記區域），導致壁障變形突兀較大，后續優化還需要對該碰撞結構剛度前段進行弱化及誘導變形。

圖25 改進后實驗壁障臺車變形狀態

圖26 改進后評價區域壁障測量點差值

圖27 改進后車輛前端結構變形情

根據整理改進前后實車試驗情況，MPDB碰撞試驗兼容性指標匯總結果如表6所示，通過試驗前結果排查，原因分析和方案仿真驗算，到改進后實車驗證，該平臺前端結構優化方案能有效提升車輛MPDB碰撞試驗兼容性指標。

表6 改進前后該平臺車型兼容性指標結果對比

6 總結

2022年，C-NCAP將在原有的碰撞試驗基礎上正式開展正面MPDB測試，通過碰撞兼容性考核推動大車小車和諧一體的安全交通環境。本文以該工況性能提升為目標，基于某純電動平臺早期車型，獲取了MPDB試驗現狀結果，通過研究分析其原因、低成本優化方案措施仿真驗算，并最終在該平臺改款車型上實施并再一次進行了實車試驗驗證，驗證結果表明MP?DB兼容性指標罰分改進明顯，為今后平臺車型兼容性性能開發提供有效經驗參考。

（1）壁障臺車優化，很大程度由試驗車整備質量起決定作用，在行業同水平下，優化更改范圍成本有限，可以不作優化。

（2）為提升兼容性值，車輛的前端結構需要針對性設計考慮。在臺車壁障評價區域內，車身防撞梁前端有效接觸面積需盡量覆蓋；車輛前端結構設計應協調統一，增加副車架小縱梁第3條傳遞路徑，通過縱梁端板結構將縱梁、輪罩側邊梁2條傳遞路徑連接。

（3）車輛前端結構各傳遞路徑剛度需要合理匹配，可降低壁障測量范圍內局部區域變形過大情況。

（4）平臺改進后仿真分析與實車試驗數據對比，值及值均較試驗值偏大，后續需要繼續研究對標分析試驗與仿真分析的差異關聯因素，提升仿真分析準確度。

（5）改進后車輛MPDB試驗僅僅為車輛正面碰撞試驗中的一項，后續還需要研究前端結構改進后對其它碰撞工況，如正面剛性壁障、行人保護等試驗的影響關聯性，進一步提升平臺車型多工況開發，適應不同開發目標的要求。