李璐江，路 深，卜晓兵，李梦琦

(1. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082)

1 引言

自2006年各国各地区陆续设立汽车安全法规以及推广新车安全评价规程(NCAP)以来，通过系统的碰撞工况(正面刚性碰撞、偏置可变形壁障碰撞、侧面移动壁障碰撞等)测试，车辆被动安全已经取得长足进步，事故伤亡率逐渐降低。然而，事故调查发现，在车辆安全评价规程中表现良好的车辆，在实际车对车碰撞事故中，由于两车主要传力路径空间布置和刚度匹配不合理，可能出现“叉撞”、“骑撞”、“强撞弱”等现象，导致对某一方车辆乘员受到更严重伤害。

此外，固定壁障试验中，试验车辆初始动能几乎全部转化为车辆和壁障的变形能。而移动台车碰撞试验中，碰撞总能量在两者吸能比例与试验车质量强相关。刚性壁障测试主导的测评体系很可能导致重量越大的车前端结构刚度越高，车型之间的刚度差距变大[1]。

基于此，业内专家提出了车辆碰撞兼容性的概念。碰撞兼容性可理解为车对车碰撞事故中，除了保护本车乘员安全外，同时降低对方车辆乘员伤亡风险的性能。碰撞兼容性测试全面研究开始于1997年的国际协调研究活动兼容性工作组(IHRA)，随后多个组织跟进这项研究，包括EUCAR 的兼容性研究项目(2001年)，欧洲车辆安全委员会(EEVC，2007年)第15工作组，中国被动安全试验技术研究平台工作组(2020年，天津)等。

车辆安全评价规程及法规会对车身设计提供引领和指导，为进一步降低社会整体交通事故伤亡率，有必要研究新的整车碰撞安全测试工况[2]。未来，道路安全研究重点将由自身车辆乘员保护扩展到自身及对方车辆乘员保护，即碰撞兼容性。

2 碰撞兼容性研究现状

2.1 碰撞兼容性测试发展

研究人员开发了多种试验形式用以模拟实际交通事故中车对车碰撞形态下兼容性表现(Car to Car Crash，C2C)，包括正面全宽可变性壁障测试(full-width deformable barrier)，渐进可变性壁障测试(progressive deformable barrier)，渐进可变性移动壁障测试(moving progressive deformable barrier)。虽然测试方案众多，但业内多数学者均认为测评体系需要同时进行偏置碰撞和全宽碰撞以全面评估车辆的乘员保护性能以及兼容性。目前，C-NCAP和Euro-NCAP均选取MPDB试验作为车对车碰撞兼容性测试方法。

图1 车对车碰撞试验

2.2 MPDB工况介绍

MPDB试验台车与测试车辆进行正面碰撞，双方速度均为50km/h，重叠率50%，台车与AEMDB相同，壁障离地高度150mm。通过计算评估区域内壁障变形标准偏差(以下简称SD)以及台车上乘员载荷准则(以下简称OLC)来评估车辆碰撞兼容性。评估区域参考存量汽车防撞梁、副车架等主要结构件分布设定。MPDB壁障蜂窝铝强度和壁障厚度有所提升，大大降低了试验车辆触底的可能性，更接近实际事故状态。

图2 MPDB工况示意图

2.3 国内外研究现状

FIMCAR[3]调查发现车对车碰撞事故中小型车侵入风险并不比重型车高，分析后认为车辆间的前端结构截面力差异并不是最关键因素，可能是车辆加速度变化及结构件空间分布造成了小型车乘员受损更严重。Taisuke Watanabe[4]通过仿真对比研究了某车型兼容性碰撞试验与车对车碰撞试验的差异，发现台车OLC与车辆加速度、乘员舱侵入相关性很强，可以较好的考核车辆的攻击性。

Ton Versmissen[5]设计了一种前端布置力传感器的兼容性测试壁障，分析了台车壁障质量、质心、高度等对结果的影响。并建立车对车碰撞的弹簧阻尼模型，用以快速分析计算。Takashi Hasegawa[6]依据交通事故统计数据，建议兼容性碰撞试验的重叠率应为50%、相对速度应为110km/h、台车质量应为1200kg，壁障渐进刚度关键在于样本地区车辆平均刚强度水平以及车辆自身刚度梯度设计，即主要传力结构件的空间布置和刚度水平。

Adolph[7]区分了水平和垂直方向的载荷路径刚度分布，统计了37款车型PDB试验后壁障变形情况，如图3所示，提出构建平均结构件区(common interaction zone)的方法。通过法规引导将车辆主要传力构件空间分布和刚度水平控制在一定范围内，提高车对车碰撞事故中两车互相作用吸能的耦合程度，从而提升车对车事故中整体乘员的安全。

图3 37款车型壁障变形云图

目前针对MPDB试验测试方法有效性的研究仍然较少。本文首先选取某SUV车型作为“基准车”，进行MPDB仿真对标，得到准确的有限元整车模型。并选取另一辆车作为“子弹车”，基于压溃理论对其进行MPDB工况仿真分析及优化，得到碰撞兼容性评分低、中、高三种状态下的“子弹车”，与“基准车”进行车对车碰撞试验，研究“子弹车”在MPDB工况与“基准车”实车对撞(Car to Car)工况下兼容性表现的相关性。

3 “基准车”MPDB工况仿真

3.1 整车模型搭建

基于某品牌SUV搭建整车碰撞有限元模型，车重1.9吨，动力为传统内燃机，车宽1930mm。搭建MPDB工况进行仿真分析，整车模型如图4所示。仿真用材料应力-应变曲线通过数字图像相关法测得，防撞梁、纵梁、副车架、上指梁等关键结构件使用一步法添加冲压信息，考虑厚度减薄及残余应力的影响。并对发动机悬置、底盘连接件、轮胎等关键部件设置失效。

图4 “基准车”MPDB整车模型

3.2 “基准车”试验对标

该“基准车”在40%重叠率可变性壁障和全宽正面刚性碰撞中表现优异，达到C-NCAP2018五星标准，但未针对碰撞兼容性进行设计优化。从MPDB实车试验结果看出，车辆主要传力路径之间刚度匹配不合理，防撞梁-吸能盒-纵梁作为主路径承担了绝大部分载荷，对应壁障区域变形较大，且主要结构件传力路径方向与壁障罚分评估区重叠面积过小，未能与壁障充分接触，导致壁障变形极不均匀。碰撞过程中，纵梁只是前端小范围溃缩，并没有发生大的折弯吸能；防撞梁强度偏弱，中段折弯严重，导致副驾侧纵梁没有充分参与吸能，最终主驾侧纵梁对应位置壁障被击穿。

图5 实车试验壁障变形图

图6 实车试验壁障变形云图

图7 仿真壁障变形云图

车辆左侧B柱下端加速度曲线试验仿真对比如图8所示，波峰波谷时间接近，加速度峰值接近，对标较好。壁障SD值试验中为179，仿真为188；试验和仿真中壁障均被击穿；台车OLC试验中为37.5g，仿真中为38.2g，对标较好，整车模型可信。

图8 “基准车”仿真试验加速度对比

3.3 试验车对壁障仿真

选取另一款SUV车型作为“子弹车A”，进行MPDB工况仿真计算，车重1.6吨，动力为内燃机，车宽1890mm。该车型并未针对兼容性做优化，基础模型MPDB工况仿真结果如图9所示，其SD=120.9mm，OLC=35.1g，碰撞兼容性较差。

图9 “子弹车A”壁障变形云图

4 基于压溃理论的子弹车MPDB优化

4.1 MPDB工况分析

影响车辆碰撞兼容性评价的主要因素包括车辆整备质量，车辆传力结构与壁障的耦合作用，车辆前端吸能结构刚度匹配，以及乘员舱稳定性。将车辆前端变形区从前向后划分为三级吸能区域，软区域以吸能盒端板为界分为两部分，如图10所示。主要优化思路是尽可能保证能量在试验车和壁障台车之间均匀吸收。

图10 车辆及壁障吸能区分布

OLC广泛应用于试验车辆加速度波形评价，其关键在于提前位移65mm达到时间，延迟延长位移235mm到达时间，避免大的波峰波谷；通过结构件设计、结构件截面设计、激光拼焊等手段合理匹配结构件刚度梯度。其中，车辆质量主要影响壁障台车的OLC值，对壁障的SD值影响较小。

设计多条传力路径可以达到结构耦合作用。载荷分散到多条传力路径，且路径之间呈剪切组合，载荷得以在各个部件之间相互传递。另外，可以增大碰撞接触面积同样可以达到分散载荷效果。例如，增加防撞梁的自身高度和宽度有利于SD值降低。防撞梁在Y向加宽后，可以辅助增加双吸能盒结构。双吸能盒结构不仅可以为防撞横梁提供支撑，还可以增加车辆前端的吸能结构。

MPDB工况中，要结合壁障硬度，合理设计车辆前端刚度。在壁障逐级压溃过程中，壁障硬度逐渐增加，所以前端刚度要与壁障刚度匹配，使压溃吸能达到最大效率。

4.2 前端能量目标

采用车辆前端碰撞能量管理方法，首先获得吸能目标，得到改进后的子弹车型总成吸能量。本文首先提出目标吸能量，由于能量目标无法直接用于结构设计，故将能量目标转化为压溃力目标，将能量与结构紧密连接起来。公式如式(1)所示

(1)

式中，F0为压溃力。K为压溃系数，E0为目标吸能量，D为压缩长度。

本文采用低碳钢矩形截面设计关键构件。低碳钢矩形截面薄壁梁平均轴向压溃力计算公式如下

F=13.105σ0b1/3t5/3

(2)

式中：F为平均轴向压溃力；σ0为平均流动应力(材料屈服极限和断裂极限的均值)；b为矩形截面长。

4.3 能量目标确定

根据3.2节可知，首先需要确定关键梁系能量目标，然后运用压溃理论进行截面设计。

根据仿真变形动画可知，车辆在与壁障碰撞时会发生偏转，造成在碰撞结束时刻，车辆与壁障脱离，此时车辆仍有一定动能。所以车辆关键结构吸能量计算公式为

Ea=E0-Ev-Ep

(3)

式中，Ea为车体关键结构总目标吸能量，E0为初始动能，Ev为碰撞结束时动能，Ep为壁障吸收的能量。

子弹车整备质量1578kg，壁障重量1400kg，起始速度为50km/h，由动能公式计算可得初始动能为287.3kJ，由整车模型能量曲线读取模型初始能量为301.2kJ，误差率4.8%，属于正常范围，可知基础车型仿真模型能量曲线准确性较高；取120 ms为碰撞结束时刻，此时模型总动能为47.3kJ，车辆吸能130.5kJ，壁障吸能123.4kJ，模型中滑移能和沙漏能占比很小忽略不计。可以看出，目前主要问题在于车辆和壁障吸能过少，残余动能较大。

4.4 优化分析

兼容性评分中涉及的SD值和OLC影响因素不同。其中，试验车结构件整体刚度水平和车重对于OLC值的影响最大，结构件与壁障正面重叠面积以及刚度耦合对SD值影响较大。对于质量较大的SUV，重心较高，尤其要注意副车架结构设计。

将前机舱传力路径分为上中下三条：上端路径主要为为水箱横梁、上指梁、纵梁搭接结构，中端路径为防撞梁、吸能盒及附属支撑结构、纵梁，下端路径为副车架前横梁、副车架、水箱下立梁，如图11所示。

图11 结构区及乘员舱示意图

基于压溃理论计算兼容性区域各传力路径对应三级吸能区域的压溃力，机舱硬区域刚度上限设置为壁障第三级蜂窝铝强度，从后向前，每级吸能区域刚度依次递减15～30%，作为刚度目标值。通过改变防撞梁宽度和高度，更换铝合金吸能盒，上指梁与纵梁增加搭接，设置副吸能盒及附属支撑结构，改变副车架前横梁宽度和高度，改变结构件料厚和牌号等方案调节传力路径刚度，匹配目标值。

优化后，得到了多种设变方案状态的车辆。从中选取三种方案状态车型，将其按照MPDB兼容性得分由低到高称为“子弹车”A、B、C。“子弹车B”和“子弹车C”的主要区别在于下部传力路径：“子弹车B”采用半框式副车架，“子弹车C”采用全框式副车架并搭配副车架前横梁。

5 C2C与MPDB结果对比

5.1 C2C结果分析

搭建车对车碰撞有限元模型，如图12所示。参照mpdb试验，将3辆子弹车分别与基准车进行对撞仿真分析，偏置率50%，速度均为50km/h。

图12 C2C工况有限元模型

统计子弹车A、B、C在MPDB工况下壁障SD值以及C2C工况下乘员舱前围板最大侵入量，如图13所示；MPDB工况下台车OLC以及C2C工况下两车OLC值如图14所示；MPDB工况下壁障蜂窝铝吸能以及C2C工况下两车车身吸能如图15所示。

图13 MPDB与C2C工况最大侵入量对比

图14 MPDB与C2C工况OLC对比

图15 车身壁障吸能对比

通过仿真试验结果发现，“基准车”OLC明显小于“子弹车”，乘员受伤害风险相对较低，表现出更强的攻击性，这可能是因为车辆整备质量差距较大导致。同时“基准车”配备了全框式副车架，“子弹车”只是半框式副车架，因此侵入量差异较大。此外，MPDB壁障重量为1.4t，低于“基准车”，因而MPDB工况中台车OLC比车对车工况中普遍更高。

5.2 相关性分析

通过车对MPDB壁障以及C2C结果对比可以看出，MPDB工况中SD值低的车辆，在C2C试验中“子弹车”前围板侵入量显著降低，“基准车”前围板侵入量略有提高。针对兼容性进行优化后，两车侵入量水平有接近的趋势，车身结构件耦合程度更高，变形更加均衡，两车乘员总体受伤风险降低。

MPDB工况中OLC更低的车辆，在C2C试验中“子弹车”OLC更低，和“基准车”OLC差距变小，两者比值近似等于两车整备质量反比。“基准车”整备质量大于“子弹车”，因而其OLC变化幅度较小。

MPDB工况中兼容性表现更好的车辆，壁障蜂窝铝部分吸能更加充分，在C2C工况中，“子弹车”吸能增加，两车结构件吸能总和也有所提升。碰撞初始动能更多的转化为结构件内能，车辆残余动能减小，乘员舱稳定性提高，乘员受伤风险相应降低。

与子弹车A、B、C分别碰撞时，基准车关键梁系变形对比发现：随着子弹车碰撞兼容性的提升，子弹车shotgun压溃程度减小，纵梁中部折弯加剧、总压溃距离增大；基准车纵梁压溃距离略有提升，两侧纵梁更加充分参与变形。即使面对整备质量高于自身的车辆，MPDB试验中表现更好的子弹车，被撞基准车梁系变形也会有所优化。笔者分析认为其原因在于，子弹车上、中、下传力路径刚度匹配和空间分布更加均匀，与基准车耦合程度提高，吸能水平提高。

MPDB试验评价中表现更好的车辆，在C2C工况中两车变形吸能更加均衡充分，前围板最大侵入量、OLC等指标均有所改善，可以理解为车辆耦合程度变高，相互之间兼容性更好。综上，在本文选定的C2C条件下，MPDB工况是一种有效的碰撞兼容性评价方法。

6 结论

车对车碰撞交通事故中影响乘员伤亡风险的关键因素在于相撞车辆结构的空间耦合程度、刚度匹配水平以及乘员舱稳定性，因此提升车辆碰撞兼容性对于降低整体道路交通事故伤亡率有重大意义。在文本选定的车辆条件下，MPDB工况与C2C工况碰撞兼容性表现相关性较高，证明了该评价方法的有效性。MPDB优化的关键在于增加机舱前端结构件与壁障正面的接触面积、合理匹配与壁障的刚度梯度，均衡车身与壁障吸能水平。

法规的制修定对于车辆主被动安全发展有重要引导作用。未来车辆安全法规和评价规程应当不断完善车对车碰撞、车与障碍物碰撞、车与行人及二轮车使用者碰撞的系统测评体系，推动“交通事故零伤亡”愿景早日实现。