王立民，唐傲天，王青贵

基于MPDB试验的碰撞兼容性评价方法解析

王立民1,2，唐傲天1,2，王青贵1,2

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

作为被动安全领域新的发展理念，碰撞兼容性越来越受到车企和消费者的重视。根据移动渐进可变形壁障（MPDB）试验得出的标准偏差（SD）、乘员载荷指标（OLC）、触底和结构高度等判定结果能有效反映车辆的碰撞兼容性。文章详细解析了上述四种指标的评价方法和意义，有针对性地总结了降低试验车辆攻击性的改善方案。欧洲新车评价规程（Euro NCAP）和中国新车评价规程（C-NCAP）在碰撞兼容性评价方法和罚分规则上各有异同，文章对两种规程进行了详细对比和解读。最后对近两年来大量MPDB试验碰撞兼容性结果进行整理，通过数据分析展示了目前主流车型的碰撞兼容性水平和一些具备现实意义的内在规律。

碰撞兼容性；MPDB试验；标准差；乘员载荷准则

随着各国法规和新车评价规程（New Car Assessment Program, NCAP）的实施，车辆的乘员保护能力日益提高。但在典型道路事故——车对车碰撞中，双方车辆受到的损伤是不同的[1]。为了满足消费者多样化的需求和对汽车营销中各种细分市场的深度开发，道路上行驶的车辆类型日趋多样化。不同车型在质量、外形尺寸、前端结构和材料属性上势必存在一定差异，这些因素导致车对车碰撞事故发生时，双方车辆和车内乘员的损伤程度不同[2]。为了实现整个碰撞事故中损伤的最小化，车辆既要提高对本车乘员的保护性，也要减少对另一方碰撞车辆的伤害，降低本车的攻击性。碰撞兼容性旨在平衡车辆保护性和攻击性，同时提升撞击车辆本身和被撞车辆的保护性能[3]。作为新型被动安全理念，碰撞兼容性越来越被车企和消费者重视，成为汽车安全设计环节的首要指导思想。

1 MPDB试验

Euro NCAP从2013年开始研究碰撞兼容性评价方法。2017年，德国ADAC试验室的SANDNER等人在欧洲车辆安全委员会（European Vehicle Safety Committee, EEVC）上提出了新型移动渐进可变形壁障（Mobile Progressive Deformable Barrier, MPDB）试验[4-5]。作为一种车对车前向偏置碰撞形式，MPDB试验不仅在驾驶员位置引入先进的THRO假人评价车辆保护性能，更引入车辆攻击性评价指标，用壁障变形量标准偏差（Standard Deviation, SD）、台车乘员载荷指标（Occupant Load Criterion, OLC）和蜂窝铝触底情况来综合判定车辆的碰撞兼容性。

MPDB试验是世界上第一个规程明确的碰撞兼容性评价方法。Euro NCAP于2020年1月开始正式实施MPDB试验。紧随其后，中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program, C-NCAP）在其2021版评价规程中引入MPDB试验形式，并于2022年开始正式实施。在SD、OLC和触底判定三项指标基础上，C-NCAP又增加了结构高度判定，形成了四位一体的评价体系[6]。C-NCAP进一步丰富了车辆攻击性评价方法，使得碰撞兼容性的判定更加科学完备。下面对这四个方面的评价指标进行深度解析，并通过本试验室长期以来积累的大量数据展示目前车辆的攻击性概况。

2 壁障变形量标准偏差

按照标准将蜂窝铝碰撞面划分成1 400个边长为20 mm的方格，以方格中心点变形量表征该网格的侵入量。试验前，针对蜂窝铝建立坐标系，按固定坐标创建1 400个网格点。试验后，扫描变形后的蜂窝铝表面，在扫描点云上生成最大单元尺寸不大于10 mm的网格。将1 400个网格点沿碰撞方向投影到扫描面上，得到准确表征蜂窝铝变形情况的1 400个相交点及其对应网格的侵入量值。使用评估区域内网格点侵入量值计算SD值。

评估区域大致处于蜂窝铝碰撞面的中间部分，是一块高度固定，宽度可变的矩形框，如图1所示。在向上，其下边界距离壁障下边缘100 mm，下边界距离地面250 mm，上边界距地面650 mm，评估区域整体高度为400 mm。在向上，其右边界距离壁障右边缘200 mm，左边界到壁障右边缘距离为试验车辆宽度的45%。评估区域宽度是随车宽不同而变化的变量，在设定上充分考虑了宽度不同车辆对试验结果的影响。试验车宽度越大，评估区域越大，且越向试验车外侧扩展。

图1 MPDB蜂窝铝评估区域

从车辆的碰撞位置考虑，MPDB试验属于50%偏置碰撞。对于左舵车辆，蜂窝铝右边缘应对准试验车横向中心位置，与试验车前端结构碰撞。一般来看，常规乘用车前机舱内虽然零部件多，结构复杂。但是在碰撞阶段参与被动安全保护的还是吸能盒、保险杠和纵梁等主吸能结构。为了充分保护乘员舱，纵梁等结构材料强度较高，在车对车碰撞中攻击性也最强。所以SD值主要想考察主吸能结构对蜂窝铝的压溃情况。

按照MPDB试验中设计的蜂窝铝的摆放位置，蜂窝铝中心部分正对着主吸能结构。蜂窝铝四周离主吸能结构较远，同时四周区域的变形量差异性较大、离散程度高，不适用于计算标准偏差。综上原因，在蜂窝铝中间部分划定评价区域。从车辆结构设计角度来看，车辆宽度越大的车辆，纵梁间距也越大，保险杠也越长，主吸能结构在蜂窝铝上的撞击位置离蜂窝铝右边缘越远。因此，需要更宽的评估区域。不同尺寸级别的乘用车车宽不同，基本处于1 600～2 000 mm。对应的评价区域宽度和网格数分别是520 mm、520个网格和700 mm、700个网格。

SD值计算公式如下：

SD值是评价车辆攻击性的重要参数。从三个维度分析SD值的评价意义。从事故形态分析，车对车碰撞后希望车辆前端结构能均匀变形。如果一方前端结构刚度过大，存在插入另一方车辆前机舱的风险，严重的甚至会刺破前围板，插入脚部空间，对乘员下肢构成严重威胁。从试验后蜂窝铝状态分析，当蜂窝铝受力较为均匀时，蜂窝铝碰撞面无应力集中，包层面板无撕裂，则评价区域内蜂窝铝变形也越均匀，SD值也越小。从数理学角度分析，在数学术语中，SD名为标准差，是离均差平方的算术平均数（方差）的算术平方根。标准差能反映一组数据的离散程度。当数据组内各元素值一致性越好，在数据分布图上在平均值周围聚集程度越高，SD值越小。当数据组内元素值离散程度越高SD值越大。对应到壁障变形量标准差计算，当评价区域内网格侵入量值一致性越好，数据值越接近，SD值越小。反之，若评价区域内侵入量值差异性越大，离散程度越高，SD值越大。

本文统计了来自国内40余家主流车企，共149款车型在MPDB试验后得出的SD和OLC值。其中燃油车型57款，新能源车型92款，包含纯电动汽车（Battery Electric vehicle, BEV）车型72款，插入式混合电动汽车（Plug-in Hybird Electirc Vehicle, PHEV）7款，增程式电动汽车（Range Extender Electric Vehicle, REEV）6款，混动电动汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）4款。车型覆盖全面，样本分布合理。SD结果分布图如图2所示。分析图2展示数据可知，SD值处于60～120 mm范围内的样本数占总数的68.5%，是SD值相对集中的区间。SD平均值为96 mm。

图2 SD值分布图

图3 纯电动车和带发动机车辆SD均值比较

通过数据分析可发现，纯电动车SD值平均值小于带发动机车辆SD值平均值，如图3所示。对比两者前端结构可发现，纯电动车前端结构普遍比燃油车等更为简单。由于少了发动机总成等相关部件，纯电动车前机舱空间更加宽裕，有些车型甚至在前机舱布置储物箱。因此，纯电动车前端结构具备更充足的吸能空间。发动机基本可以等效为不变形的坚硬刚体。对于常见的发动机前置式乘用车，重心更为靠前，形成“头重脚轻”的布局。在MPDB试验中，前机舱因为沉重刚体的存在会在惯性定律下对蜂窝铝及台车造成更加严重的冲击。目前纯电动车电池包普遍采用平铺式布置在乘员舱底部，重心分配更为合理。通过针对性设计，燃油车也可以实现较低的SD值，降低自身攻击性。

影响SD值的主要是前端结构及刚度。通过深入分析SD计算方法和评价原理，可以挖掘一些减小SD值，降低车辆攻击性的方法。核心理论在于当碰撞载荷固定的前提下，想方设法使载荷分散，均匀传递到蜂窝铝上。如适当增加保险杠宽度。从高度方向上看，在MPDB试验中，绝大部分试验车前端保险杠基本上都会在评价区域内和蜂窝铝深度接触，造成较深侵入量。在试验后蜂窝铝上，通常都会有因保险杠撞击造成的凹槽，这部分区域变形一致性较好。加宽保险杠显然能扩大这种变形均匀的区域及对应网格数。保险杠加宽后同样增大了其与蜂窝铝的接触面积，同等载荷被更大区域承接，载荷分配更加分散，避免因应力集中造成包层面板撕裂，同时该位置对应侵入量也会减小，整体变形更为均匀。第二种方法是在吸能盒加纵梁这条主载荷传递路径之外增加额外的载荷传递路径，如在主吸能盒侧面增加副吸能盒，增加侧边梁等。许多针对21版CNCAP开发的车型，特别是新能源车型在前期设计阶段参考了上述方法都取得了有益效果。

3 乘员载荷准则

OLC是一项评价车辆减速度的指标。在给定某车辆减速度波形的条件下，通过假定乘员做单纯的前向运动而求得的乘员平均减速度用于评价车辆减速度对乘员作用载荷大小。计算OLC值的基本原理如下：为避免假人胸部与方向盘发生碰撞，设胸部前向位移量为300 mm。由于安全带松弛量的存在，假人在不受力的自由状态下做匀速运动，并移动了65 mm的距离。之后安全带开始向假人施加载荷，约束假人作减速运动，并移动了235 mm的距离。

OLC与头部损伤指标（Head Injury Criterion, HIC）、胸部加速度等乘员损伤值呈正相关联系。一般来看，OLC值越大，乘员损伤值越高。在MPDB试验中，台车承受来自试验车的撞击载荷，计算台车的OLC值能在一定程度上反映试验车的攻击性[7]。

使用MPDB台车质心向加速度曲线（CFC 180）积分，得出整个移动壁障的速度曲线。

式中，0为MPDB台车初速度，km/h；1为移动壁障上虚拟假人在自由移动阶段位移65 mm的时刻；2为虚拟假人开始收到约束，向前移动235 mm对应时刻。

在MPDB试验规程中，OLC用于表征台车上虚拟假人的平均减速度。其值越小，表征被撞击车辆上乘员受冲击越小，车辆攻击性越低。OLC值与试验车质量存在一定的正相关联系。因试验速度和台车质量是固定的，试验车质量越大，动能越高，台车承受冲击载荷越大，OLC值越高。降低OLC值核心理论在于降低台车质心所受冲击载荷。首先可以考虑适当给试验车减重。但是当车辆级别明确后，长轴距轿车、运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV）和多用途汽车（Multi-Purpose Vehicles, MPV）等车型的整备质量势必要高于小型车和微型车。对于这种大型车辆，车身尺寸大、体积大、用材多。而且随着消费者对车辆各种功能要求增多，需要在车辆上增添各种配置、各种电器。车辆减重是一项非常复杂的系统工程，需要从车身开发阶段在结构设计和选材上加以考虑，并结合大量的仿真和试验验证方案合理性。

图4 OLC结果分布图

给车辆减重这一方案成本较高，在不改变车重的前提下，也可以将OLC值降低。另外一种降低OLC值的方案是在保证试验车乘员舱牢固的基础上，增加试验车的吸能特性。如在保障试验车乘员保护性的基础上，降低吸能盒刚度，提高吸能效率。更进一步，可将纵梁做成分段式，沿纵向不同阶段材料属性不同。从纵梁顶端到根部，材料强度和刚度逐步递增。前端采用强度低的材料参与变形吸能。末端使用高强度材料护卫乘员舱结构完整性。通过上述方式力争实现试验车前端结构吸能性和乘员舱保护性的有机平衡，也是车辆保护性和攻击性的有机统一。这正是碰撞兼容性理论精髓所在。

图4展示了149款车型OLC结果分布图。OLC值处于31～39 g的样本数占样本总数的77.2%，是OLC值相对集中的区间。OLC值平均值为35 g。OLC低于30 g的车辆需要较高的设计水平。而皮卡和大型SUV从尺寸和重量上天然属于攻击性强的车型，OLC值易处于较大范围内，甚至超过40 g。

4 蜂窝铝触底判定

在蜂窝铝评估区域内，若变形深度达到630 mm的区域面积大于40 mm×60 mm，定义为“触底”。针对“触底”现象，标准制定了额外的罚分项。有些前端结构碰撞后的SD值可能会比较小，评价区域内蜂窝铝变形也比较均匀，但可能存在某些截面积较小的纵向结构件插入蜂窝铝结构中，造成较深侵入量。但因其截面积较小，对应大侵入量的网格数很少。虽然这部分较大的侵入量值，与其他变形均匀结构内的侵入量差异大，离散程度高，但样本数少、权重低，不会对整体SD值产生太大影响。

这种可能会造成较深穿刺的结构在真实事故中是非常危险的。这种结构截面积小，材料强度高，在同等碰撞力会产生更大的压强和局部应力，具备极强的穿透力和破坏性。若刺破前围板，穿入脚部空间，会给乘员下肢带来极大的安全威胁。正常情况下，SD值无法对这种结构的攻击性予以体现和惩罚。因此，触底罚分应运而生。在蜂窝铝评价区域内，专门考察侵入深度极高的区域。

5 结构高度判定

对于整备质量下，纵梁前端底部距地面高度大于508 mm的车辆，需要对试验后蜂窝铝评估区域上边界上方的区域在蜂窝铝变形云图中进行额外检查。若因主吸能结构造成至少连续6个网格的压溃深度超过480 mm，且超出480 mm区域的云图无衰减趋势，则需要进行结构高度罚分。

对于越野车等离地间隙较高的车辆，其前端结构也可能设计得较高。MPDB台车上蜂窝铝的离地高度是固定的。当这种前纵梁和保险杠较高的车辆进行MPDB试验时，主吸能结构的下部或整体主要与蜂窝铝的上部接触。随着大车对蜂窝铝侵入深度的增加，台车前端受压制向前下方钻入，大车前端被抬升向前上方运动。在碰撞末期，最终会形成大车对台车的“骑跨”效果。这种“骑跨”现象会导致蜂窝铝上部出现大面积侵入量较深的变形。而蜂窝铝中下部则变形量较小。

由于蜂窝铝和大车主吸能结构在高度上的错位接触，蜂窝铝和吸能盒、纵梁前端等本应变形吸收动能的结构未能充分变形吸能。更多的能量会传递到台车本身，台车的OLC值会较大。在车对车碰撞事故中，大车对小车的“骑跨”是一种非常危险的事故形态。因为两车的前端结构在高度上存在落差，两车的主吸能结构未能充分发挥作用，小车乘员舱将承受更多的碰撞载荷。更严重情况，大车可能直接跨越小车的前机舱撞击小车乘员舱。

6 兼容性评分准则

作为目前唯二引入MPDB试验形式的评价规程，Euro NCAP和C-NCAP在兼容性评价方法上有许多相同之处，但也各有特色。详细描述如下：

1）两个评价规程在SD值和OLC值的计算方法上是一样的，但最终罚分方法不同。

2）在触底判定上，C-NCAP规定壁障穿透深度达到630 mm的面积大于40 mm×60 mm定义为触底。即连续6个网格（20 mm×20 mm）穿透深度达630 mm为触底。Euro NCAP在触底判定上更为严格，定义穿透深度达630 mm的面积大于40 mm×40 mm时为触底。即连续4个网格（20 mm× 20 mm）穿透深度达630 mm为触底。

3）目前Euro NCAP在兼容性评价上规定了SD、OLC、触底三个判定项目，不包含结构高度罚分。

6.1 C-NCAP兼容性罚分方法

下面详细解析C-NCAP兼容性罚分原则，见表1。

表1 C-NCAP兼容性罚分表

项目评价方法罚分 第一阶段第二阶段 SD/mmSD＜5000 50≤SD≤150线性插值线性插值 SD＞15012 OLC/gOLC＜2500 25≤OLC≤40线性插值线性插值 OLC＞4012 触底630 mm12 结构高度1）纵梁底部高度大于508 mm；2）评估区域上边界上方连续6个网格侵入量超480 mm；3）云图无衰减趋势11 总分上述四项分数之和最高罚3分最高罚6分

第一阶段：2022年1月至2023年1月。

第二阶段：2023年1月后。

图5 C-NCAP兼容性罚分分布图

从时间线上，目前罚分规则尚处于第一阶段。本文统计了按C-NCAP规程评价的128款车型碰撞兼容性罚分，结果分布如图5所示。罚分处于0.6～1.5之间的样本数占总数的71%，罚分平均值为1.255。出现触底或结构高度罚分会使得总罚分大大增加。类似皮卡这种车型，一旦出现触底和结构高度罚分，会触发定格罚分3分。

6.2 Euro NCAP兼容性罚分方法

相比于C-NCAP中SD和OLC罚分在各自规定范围内相互独立采用线性插值计算，Euro NCAP则将两者合并，形成一个统一的“OLC-SD Modi- fier”。Euro NCAP并不单独计算SD或OLC罚分，而是按照一种将两个变量综合考虑的方式，计算出一个OLC-SD总罚分[8]。

对于OLC-SD罚分是基于两个相互关联的线性插值评分标准，当两者任意一项超过标准下限时，该评分标准可以覆盖整个罚分范围（0～8分）。图6展示了OLC-SD罚分计算通道，图中直线表示罚分计算下限路径，图中点划线表示罚分计算上限路径。在OLC≤25 g时，罚分仅基于SD值在0～2分之间变化。如果OLC≥40 g，罚分基于SD值在2～8分之间变化。如果25 g≤OLC≤40 g，罚分是基于SD和OLC线性插值计算，在0～8分之间变化的变量。具体计算方法结合图6说明。需要用到三次线性插值。

图6中点是实际SD罚分通道下限，其值以实际SD值在0～2的区间内线性插值求出。图6中点是实际SD罚分通道上限，其值以实际SD值在2～8的区间内线性插值求出。上下限值确定后，整个实际SD值罚分通道也得以明确。最终OLC-SD罚分是以实际OLC在到区间内线性插值求出。

式中，Y为点对应罚分；Y为点对应罚分。

图6 OLC-SD罚分计算通道图

在Euro NCAP中，SD和OLC各自也有单独计算罚分的方法。同样采用线性插值法，可分别计算两者独立罚分。两者单独罚分之和即为OLC-SD总罚分。以线性插值计算罚分，需要明确插值的上下限值。其中，OLC罚分的计算较为简单，其插值上下限是固定值，在0～2的内插值求出。

SD罚分下限为0，但上限值的得出较为复杂，是2～6的线性插值。计算逻辑如下：

图7较为详细地展示了SD罚分插值上限计算逻辑图。

式中，max是SD罚分插值上限。

通过上述分析可发现，在Euro NCAP制定的OLC-SD总罚分计算方法中，SD和OLC值联系更为紧密。Euro NCAP中判定蜂窝铝触底后，需要额外再罚2分。最终兼容性罚分为OLC-SD罚分和触底罚分之和。总罚分不超过8分。在2020年至2022年，碰撞兼容性罚分减半，最高罚4分。从2023年1月开始不做减半处理，按OLC-SD罚分和触底罚分之和进行罚分，最高罚8分。

图7 SD罚分插值上限计算逻辑图

目前Euro NCAP碰撞兼容性罚分仍处于第一阶段。本文统计了按Euro NCAP规程评价的30款车型碰撞兼容性罚分，结果分布如图8所示。罚分处于0.5～2.5的样本数占总数的83%，罚分平均值为1.504。出现触底罚分同样会使得总罚分大大增加。

图8 Euro NCAP兼容性罚分分布图

7 总结

作为目前唯一成熟的、规程明确的碰撞兼容性评价试验方法，MPDB试验中评价的SD、OLC、触底和结构高度等项目具备深刻的研究内涵和现实的检测意义。文章总结了一些降低SD和OLC值的方法，能有效改善车辆在MPDB试验中碰撞兼容性方面的表现，有效降低车辆攻击性。通过对试验室积累的大量数据进行整理分析，展示了目前主流乘用车碰撞兼容性概况。帮助车企工程师明确自身产品在碰撞兼容性能方面的水准。在各类被动安全标准或评价规程中，目前只有Euro NCAP和C-NCAP引入了MPDB试验形式。两者在评价方法和罚分规则上各有特色。对规程的深度解析，能帮助车企更好地应对相关检测。在中国车企不断走出去，进军欧洲市场的背景下，研究Euro NCAP标准同样具有重要意义。

[1] LEE C M,SHIN J H,KIM H W,et al.A Study on Car- to-car Frontal Impact Considering the Vehicle Com- patibility[J].Korean Auto-vehicle Safety Association, 2017,9(1):13-18.

[2] SUN Z,ZHU H,PENG W.Assessment of Car to Car Crash Compatibility Based on MPDB[C]//2020 12th International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA).Piscata- way:IEEE,2020:1017-1023.

[3] JOHANNSEN H, ADOLPH T, EDWARDS M, et al. Proposal for a Frontal Impact and Compatibility Assessment Approach Based on the European FIM- CAR Project[J].Journal of Crash Prevention & Injury Control,2013,14(1):105-115.

[4] TAISUKE W, IPPEI K, TAICHI N, et al. Relationship between Frontal Car-to-car Test Result and Vehicle Crash Compatibility Evaluation in Mobile Progressive Deformable Barrier Test[J].Traffic Injury Prevention, 2019,20(1):78-83.

[5] ZHU H T,YANG J L,ZHANG B.Research on Vehicle Crash Compatibility based on New MPDB Test[C]// AIAM2020:2nd International Conference on Artificial Intelligence and Advanced Manufacture,Piscataway: IEEE,2020:290-295.

[6] 中国汽车技术研究中心有限公司.C-NCAP 管理规则(2021年版)[M].天津:中国汽车技术研究中心,2021.

[7] 水野幸治.汽车碰撞安全[M].北京:人民交通出版社, 2016.

[8] Euro NCAP.Assessment Protocol-Adult Occupant Pro- tection.Version 9.1.2[Z].2020.

Analysis of Vehicle Crash Compatibility Evaluation Methods Based on the MPDB Test

WANG Limin1,2, TANG Aotian1,2, WANG Qinggui1,2

( 1.China Automotive Technology&Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China;2.CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China )

As a new development concept in the field of passive safety, crash compatibility has been paid more and more attention by automobile companies and consumers. The results of standard deviation (SD), occupant load criterion (OLC), bottom out and structure height obtained from mobile progressive deformable barrier (MPDB) test can effectively reflect the crash compatibility of vehicles. This paper analyzes the evaluation method and significance of the above four indexes in detail, and summarizes the improvement scheme to reduce the aggression of test vehicles. The European new car assessment program (Euro NCAP) and China-new car assessment program (C- NCAP) have their differences and similarities in crash compatibility evaluation methods and penalty rules. This paper makes a detailed comparison and interpretation of the two regulations. Finally, a large number of MPDB test collision compatibility results in the past two years are sorted out. Through data analysis, the collision compatibility level of current mainstream models and some internal laws with practical significance are demonstrated.

Crash compatibility; MPDB test; Standard deviation; Occupant load criterion

U467

A

1671-7988(2023)10-149-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.031

王立民（1992—），男，硕士，工程师，研究方向为车辆被动安全性能检测技术，E-mail:wanglimin@catarc.ac.cn。