2023, Vol. 40扩展功能
文章信息
- 吴磊, 杨玲玲, 李奇奇.
- WU Lei, YANG Ling-ling, LI Qi-qi
- 基于2021版C-NCAP对MPDB工况的车身结构优化
- Optimization on Body Structure under MPDB Condition Based on 2021 C-NCAP
- 公路交通科技, 2023, 40(10): 192-200
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(10): 192-200
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.10.022
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文章历史
- 收稿日期: 2021-02-03
, 2. 长沙理工大学 汽车与机械工程学院, 湖南 长沙 410114
2. School of Automotive and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha Hunan 410114, China
为了提高汽车碰撞安全性能，减少交通事故对人员的伤害，国内外的新车评价规程(New Car Assessment Program, NCAP)每3 a进行一次更新。通过不断推出更加贴近真实交通事故的测试方案以及提高评价标准推动汽车碰撞安全技术的不断进步。以2021版中国新车评价规程(China New Car Assessment Program, C-NCAP)为例，相比较于2018版主要有以下几方面的改变：(1)正面碰撞采用: 渐近式可变形移动壁障工况(Mobile Progressive Deformable Barrier, MPDB)替代正面40%重叠可变形壁障工况(Offset Deformable Barrier，ODB)；(2)针对新能源汽车，使用侧面柱碰撞工况替代可变形移动壁障侧面碰撞工况；(3)鞭打试验增加第2排座椅的测试；(4)新增第2排儿童乘员保护评价方法和儿童乘员保护静态评价方法；(5)加分项和罚分项也进行了完善；(6)行人保护方面扩大了头部撞击区域、更换了撞击腿型的模型[1]。本研究基于MPDB工况对某款在研SUV车型进行碰撞性能研究，并通过结构优化提升其结构耐撞性能。
1 MPDB工况 1.1 试验规程MPDB工况是试验车辆与移动渐进变形壁障台车分别以SO-1+1 km/h的碰撞速度进行正面50%重叠偏置对撞的试验工况[2]。壁障台车是一辆前端安装有由3部分刚度渐变蜂窝铝所组成的可变形障碍壁台车，其质量约为1 400 kg。该工况能同时评价被碰撞车辆的结构耐撞性和对另一方车辆的攻击性如图 1[3]所示。相比较于2018版ODB工况，MPDB工况考虑了来方车辆的移动速度，更加贴近实际交通事故；同时，为了减少对方车辆和乘员的伤害增加了兼容性罚分项。碰撞兼容性是指汽车发生碰撞时在保护本方乘员安全的同时兼顾保护对方车辆及乘员安全的能力[4]，主要从台车上乘员载荷准则(Occupant Load Criterion，OLC)、壁障侵入深度的标准偏差(Standard Deviation，SD)、壁障侵入深度以及壁障侵入高度这4个方面采用罚分的形式对试验车的兼容性进行评价[5]，并以2023年1月为界分为两个实施阶段：第1阶段最高罚分为3分；第2阶段最高罚分为6分[6]。各项具体罚分见图 2。
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| 图 1 MPDB工况试验条件 Fig. 1 Test conditions for MPDB condition |
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| 图 2 兼容性罚分 Fig. 2 Compatibility penalty |
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1.2 OLC值计算
OLC是用来评估在约束系统一致的条件下，碰撞给对方车辆上的乘员所造成的伤害程度。在OLC计算中做以下假设：假设壁障车上虚拟假人在约束系统作用之前的自由行程为65 mm。在约束系统作用下假人相对壁障车可继续前移235 mm。根据以上假设的位移条件通过数学积分方式求解假人的平均加速度如式(1)~(3)所示：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
式中，v0为壁障车的初始速度50 km/h；t1为壁障车上虚拟假人在自由移动阶段位移65 mm的时刻; t2为壁障车上虚拟假人在约束阶段位移235 mm的时刻。
将计算得出的平均加速度转化成以重力加速度(g)为单位的值即为OLC值，其高性能指标为25g，低性能指标为40g，中间值按照线性插值的方式求解[7]：
当OLC＜25
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(4) |
当25＜OLC＜40
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(5) |
当OLC>40
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(6) |
SD的计算方法按照以下步骤进行：
(1) 扫描壁障前端的变形并在扫描结果点云上生成最大单元尺寸不大于10 mm的网格。
(2) 以未变形面的中心点为中心，生成均匀间距为20 mm的网格点。
(3) 投射网格上的网格点，并计算评级区域内的每个点的侵入量，计算侵入量的标准差SD(mm)如式(7)所示：
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(7) |
式中，SD为标准偏差；Xn为样本点；x为平均侵入深度。
(4) 根据计算得到的标准差，采用与OLC类似的罚分计算方法：其高性能值为50 mm，低性能值为150 mm，中间值按照插值的方式求解其罚分值。
1.4 壁障侵入深度在评估区域内如图 3所示，当壁障表面存在侵入量达到630 mm的区域大于40 mm×40 mm[8]，那么判定为壁障击穿，按照所处实施阶段进行罚分。
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| 图 3 壁障评估区域(单位：mm) Fig. 3 Assessment area of obstacle avoidance(unit: mm) |
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1.5 壁障侵入高度
在整备质量下，如果车辆纵梁前端底部高度大于508 mm，试验后壁障面上评估区域上边界650 mm上方区域内，因主吸能结构造成至少连续6个单元的压溃深度超出480 mm，且超出480 mm区域的变形云图无衰减趋势，则罚1分[9]。
1.6 MPDB工况与ODB工况比较相比于ODB工况，MPDB工况增加了以下3方面的难度[10-13]：
(1) 碰撞结果的差异性，碰撞系统中增加了运动的壁障台车属性非弹性碰撞，碰撞结果受试验车与壁障台车的质量比影响。相关研究表明，当试验车整备质量大于壁障台车，试验车回弹时刻较晚甚至没有回弹，碰撞能量主要由壁障台车吸收，其加速度峰值、乘员舱和门框变形量容易达标，但是兼容性罚分往往较高。当试验车整备质量小于壁障台车，试验车回弹时刻较早，碰撞能量主要由试验车吸收，该状态下，兼容性罚分较低，但试验车结构耐撞相关指标如：加速度峰值、乘员舱和门框变形量往往较大。当试验车整车质量与壁障台车接近，属于比较理想的状态，结果介于上述两者之间。
(2) 增加兼容性罚分，提高了车身前端设计的难度，该项罚分要求前防撞梁、吸能盒、前纵梁以及前副车架等车身前端吸能结构在充分吸收碰撞能量的同时其结构刚度不能过大。因此，MPDB工况对车辆前端的结构提出了更严苛的设计要求。
(3) 新的试验工况，该工况从MPDB壁障到评价规则均有很大的变化，并且目前可供参考的资料和车型非常少，各研究机构现阶段均处于摸索消化阶段，因此设计难度很大。
2 结构优化 2.1 基础状态结果本研究以某款新开发SUV为研究对象，根据试验规范搭建MPDB工况仿真模型，采用LS-Dyna进行求解[14-16]，计算得到基础状态结果未能满足设计目标要求，其中车身加速度峰值为45.9g、加速度平台40g以上持续时间为7.40 ms、兼容性罚分达到了3.90分具体见表 1。
| 指标 | 设计目标值 | 基础状态结果 |
| 加速度峰值/(×g) | ＜42.0 | 45.9 |
| 加速度平台40g以上持续时间/ms | ＜3.00 | 7.40 |
| OLC | ＜1.50 | 1.63 |
| SD | ＜0.80 | 1.27 |
| 侵入深度 | ＜0.0 | 0.0 |
| 侵入高度 | ＜1.0 | 1.0 |
| 兼容性罚分合计 | 3.30 | 3.90 |
2.2 结果分析
基础状态计算结果从车身结构耐撞性能到兼容性罚分均未能达到设计目标，通过分析车身变形模式发现主要存在以下3方面结构问题：(1)纵梁在发动机左前悬置安装位置出现异常折弯，如图 4所示，导致吸能盒以及纵梁前段未能充分压溃造成加速峰值升高；(2)由于前防撞梁刚度不足，在碰撞过程中出现了“V”字形折弯，如图 5所示，左侧纵梁深插入壁障内，导致壁障侵入深度的标准偏差(SD)较差，同时防撞梁过早折弯无法将碰撞能量有效传递到非碰撞侧(前排右侧)，从而实现能量的均衡吸收与传递[17]；(3)壁障与试验车的有效接触面积(钣金结构件与壁障接触面积)较小，壁障在前期变形过程中能够参与吸能的区域不足，未能在碰撞早期有效地降低壁障小车的速度，导致壁障小车平均加速度指标OLC过高。
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| 图 4 基础状态前纵梁变形模式 Fig. 4 Deformation mode of front longitudinal beam at basic state |
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| 图 5 基础状态防撞梁变形模式 Fig. 5 Deformation mode of anti-collision beam at basic state |
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2.3 结构优化 2.3.1 纵梁刚度匹配方案
为了避免纵梁出现异常压溃对前纵梁和吸能盒区域进行以下优化：
(1) 上移吸能盒，使吸能盒与前纵梁的中性面在同一水平面上，保证前纵梁Y-Z平面内均匀受载，避免纵梁因为局部受载出现异常折弯，如图 6~7所示。
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| 图 6 基础状态吸能盒与前纵梁位置关系 Fig. 6 Location relationship between energy absorbing box and front longitudinal beam at basic state |
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| 图 7 优化状态吸能盒与前纵梁位置关系 Fig. 7 Location relationship between energy absorbing box and front longitudinal beam at optimization state |
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(2) 取消纵梁悬置安装位置加强板，优化纵梁前后端刚度匹配如图 8所示。
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| 图 8 纵梁内悬置安装位置加强板结构 Fig. 8 Structure of reinforcement sheet in mounting position of longitudinal beam |
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(2) 优化吸能盒的截面尺寸及厚度，同时增加诱导槽，改善吸能盒的压溃模式(W为宽度，H为高度，T为厚度，单位mm)，如图 9~10所示。
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| 图 9 基础状态吸能盒结构(单位：mm) Fig. 9 Structure of energy absorbing box at basic state(unit: mm) |
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| 图 10 优化状态吸能盒结构(单位：mm) Fig. 10 Structure of energy absorbing box at optimization state(unit: mm) |
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2.3.2 车身前端结构优化
通过车身前端结构优化降低兼容性罚分，其设计原则是在综合考虑行人保护腿型得分、发动机冷却风扇进气量、重量成本等其他性能要求的前提下，尽量增大试验车前端与壁障的有效接触面积及接触刚度，基于该设计思路提出以下设计方案：
(1) 提升主防撞梁的抗弯刚度，避免出现“V”字型折弯，截面形状由“日”字形改成“目”字形，同时结合结构轻量化对各截面厚度进行优化，如图 11~12所示。
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| 图 11 基础状态防撞梁结构(单位：mm) Fig. 11 Structure of anti-collision beam at basic state (unit: mm) |
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| 图 12 优化状态防撞梁结构(单位：mm) Fig. 12 Structure of anti-collision beam at optimization state(unit: mm) |
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(2) 增大车身前端与壁障的有效接触面积，结合前大灯结构设计在不影响其安装的前提下，前防撞梁沿Y向两侧各延长54 mm，如图 13~14所示。
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| 图 13 基础状态前防撞梁结构 Fig. 13 Structure of front anti-collision beam at basic state |
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| 图 14 优化状态前防撞梁结构(单位：mm) Fig. 14 Structure of front anti-collision beam at optimization state(unit: mm) |
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(3) 增加车辆前端小腿防撞梁的刚度以及与壁障的接触面积，在不影响行保腿部得分的前提下对小腿防撞梁进行优化：①小腿防撞梁总成整体向下平移15 mm；②将其由料厚1.0 mm材料DP590的“U”截面开口结构改成料厚1.0 mm材料Q235的圆管结构；③小腿防撞梁支架沿Y方向往两侧分别平移25 mm；④小腿防撞梁沿Y向往两侧分别延长57 mm，如图 15所示。
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| 图 15 小腿防撞梁优化方案(单位：mm) Fig. 15 Optimization scheme for shank anti-collision beam(unit: mm) |
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2.4 优化结果
将上述优化方案更新至有限元模型重新提交计算，计算结果表明加速度峰值、加速度平台40g以上持续时间以及兼容性罚分均降低至目标范围内见表 2。其中兼容性罚分由3.90降为2.71降幅达30.5%，加速度峰值由45.9g降为41.7g，40g以上持续时间也由7.4 ms降为2.85 ms如图 16所示。综合评估优化状态车身结构耐撞性能满足2021版MPDB工况五星得分规划要求：
| 指标 | 目标值 | 基础状态结果 | 优化状态 |
| 加速度峰值/(×g) | ＜42.0 | 45.9 | 41.7 |
| 加速度平台40g以上持续时间/ms | ＜3.00 | 7.40 | 2.85 |
| OLC | ＜1.50 | 1.63 | 1.14 |
| SD | ＜0.80 | 1.27 | 0.57 |
| 侵入深度 | ＜0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 侵入高度 | ＜1.0 | 1.0 | 1.0 |
| 兼容性罚分 | ＜3.30 | 3.90 | 2.71 |
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| 图 16 优化前后车身加速度曲线对比 Fig. 16 Curves of vehicle acceleration before and after optimization |
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从变形模式分析，通过纵梁与吸能的刚度匹配，纵梁的变形模式得到明显改善，吸能盒与纵梁前端形成有效压溃未出现异常折弯现象，如图 17所示。
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| 图 17 优化状态防撞梁、纵梁变形模式 Fig. 17 Deformation mode of anti-collision and longitudinal beams at optimization state |
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从壁障变形云图分析，通过车身前端的结构优化，壁障侵入深度的标准偏差改善明显，如图 18~19所示(颜色越深说明侵入量越大)，SD罚分由1.27降为0.57。
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| 图 18 基础状态壁障变形云图(单位：mm) Fig. 18 Cloud map of obstacle avoidance deformation at basic state(unit: mm) |
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| 图 19 优化状态壁障变形云图(单位：mm) Fig. 19 Cloud map of obstacle avoidance deformation at optimization state(unit: mm) |
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为了验证优化方案对其他工况的影响，同时校核了受优化区域影响的正面100%重叠刚性壁障碰撞工况，结果显示主要性能指标均无明显变化，满足设计要求，具体如表 3所示。
| 指标 | 目标值 | 基础状态结果 | 优化状态 |
| 加速度峰值/(×g) | ＜42.0 | 40.7 | 40.7 |
| 加速度平台40g以上持续时间/ms | ＜3.00 | 1.4 | 1.7 |
| 整车压溃量/mm | >500.0 | 645.7 | 636.0 |
| A柱侵入量/mm | ＜20.0 | 18.5 | 17.4 |
| IP横梁X向侵入量/mm | ＜20.0 | 6.4 | 2.5 |
| 转向管柱侵入量/mm | ＜30.0 | 11.6 | 8.3 |
| 前围板整体侵入量 | ＜120.0 | 116.1 | 102.5 |
3 试验验证
根据优化方案制造样车进行MPDB工况实车验证，并从车身结构变形模式、车身加速度曲线、壁障兼容性罚分3个方面进行试验与仿真对标。
3.1 车身变形模式仿真结果中防撞梁中间折弯变形、吸能盒均完全压溃如图 20~21所示，试验与仿真各主要考察点的变形量如表 4所示，误差均在10%以内。
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| 图 20 仿真状态防撞梁变形模式 Fig. 20 Deformation mode of anti-collision beam at simulation state |
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| 图 21 仿真状态吸能盒变形模式 Fig. 21 Deformation mode of energy absorbing box at simulation state |
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| 指标 | 试验状态 | 仿真状态 | 相对误差/% |
| 吸能盒压溃量/mm | 102.3 | 110.8 | 8.3 |
| 前纵梁压溃量/mm | 232.0 | 241.5 | 4.1 |
| 前围板最大侵入量/mm | 52.4 | 56.1 | 7.1 |
| A柱X向侵入量/mm | 7.2 | 7.0 | 2.8 |
3.2 车身加速度曲线
分析车身加速度曲线能够更全面的了解碰撞全过程的状态变化[18]。通过对比分析车辆B柱下方加速度传感器所测得的加速度曲线，发现试验与仿真状态加速度曲线变化趋势相一致，试验与仿真最大加速值分别为42.3g和41.7g，加速度平台40g以上持续时间分别是2.59 ms和2.85 ms，主要指标差异较小满足仿真试验对标的精度要求具体如图 22所示。
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| 图 22 仿真试验车身加速度曲线对比 Fig. 22 Curves of simulation vs. test of vehicle acceleration |
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3.3 兼容性罚分
本研究中试验与仿真计算得出的OLC罚分值吻合度达到90.4%，壁障变形未发生击穿现象，壁障变形一致性较好如图 23所示。SD罚分值吻合度为84.2%，整体罚分吻合度达到98.9%，说明仿真模型中所使用的壁障精度较高，具体分值对比如表 5所示。
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| 图 23 仿真壁障变形模式 Fig. 23 Deformation mode of obstacle avoidance at simulation state |
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| 测量指标 | 分值 | 仿真状态 | 试验状态 | 吻合度/% |
| OLC | 2.00 | 1.14 | 1.26 | 90.4 |
| SD | 2.00 | 0.57 | 0.48 | 84.2 |
| 侵入深度 | 2.0 | 0.0 | 0.0 | 100 |
| 侵入高度 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 100 |
| 总分 | 6.00 | 2.71 | 2.74 | 98.9 |
4 结论
本研究基于2021版C-NCAP的MPDB工况对某款SUV进行了结构优化设计，通过对主防撞梁、吸能盒、前纵梁以及小腿防撞梁进行结构优化降低了车身加速、加速度平台40g以上持续时间以及兼容性罚分，使其满足2021版C-NCAP五星得分规划。在此基础上总结出了针对MPDB工况提升结构耐撞性以及降低兼容性罚分车身优化思路，为后续车型的开发提供参考：
(1) 针对MPDB壁障的吸能特性匹配车身纵梁与吸能盒刚度，保证吸能盒、纵梁依次压溃避免出现异常折弯导致车身吸能下降；同时注意吸能盒与前纵梁的安装位置，保证二者中性面在同一水平面上。
(2) 为了减小兼容性罚分，应尽量加大车身前端与壁障的有效接触面积，可通过增加主防撞梁的宽度和高度、小腿防撞梁的Y向长度，开发多条传力路径如：shotgun、前副车架等措施来实现。
(3) 通过提高主防撞梁的抗弯刚度能够防止其发生“V”字形折弯变形，减小前纵梁对壁障的侵入量防止发生壁障击穿现象并降低壁障侵入深度的标准偏差。同时，防撞梁刚度增加能够将载荷由左侧纵梁转移至右侧纵梁，分散碰撞能量。
(4) 由于增加了兼容性罚分项，对车身前端设计提出了更精细化的设计要求，仅从单个零部件的优化难以达到预期效果，需要从车身全局结构出发协调主防撞梁、吸能盒、前纵梁、小腿防撞梁、副车架、shotgun等结构进行刚度匹配。
(5) 为了降低壁障侵入深度的标准偏差(SD)罚分，可以考虑前保、前大灯以及前格栅等前端塑料件使用断裂延伸率更高的材料，降低其在碰撞过程中的破损程度，从而增大试验车与壁障的接触面积，达到降低SD罚分的目的。
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