基于全宽刚性壁障试验的车辆碰撞兼容性研究

朱海涛 杨佳璘 张斌 李向荣300162） （中国汽车技术研究中心有限公司，天津

主题词：前端碰撞载荷 全宽刚性壁障试验 碰撞兼容性U467.1+4 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20180948中图分类号： 文献标识码： DOI:

1 前言

我国交通事故统计数据显示，乘用车碰撞事故中，

50%

车对车碰撞导致的死亡人数占车祸死亡总人数的左右[1]。究其原因，主要是由于碰撞双方质量、刚度以及几何外形的差异，导致相关碰撞事故中，弱势方对其乘

C-NCAP GB 11551—

员保护不足，碰撞兼容性较差。 及

2014 50

《汽车正面碰撞的乘员防护》均采用了车辆以

km/h

的速度正面撞击刚性墙的碰撞形式，这种形式模拟的是车辆与等同车发生正面对碰的事故形态，而实际交通事故中，车辆可能会与不同车辆发生碰撞。因此，在法规及规范层面，应该对车辆碰撞兼容性进行技术约束[2]。近年来，随着汽车产品种类日趋增多，相关问题愈发突出。因此，碰撞兼容性是未来国内汽车安全领域研究的新方向。

如何准确评价汽车碰撞兼容性能，一直是国外的研究热点，但目前尚未出台统一的测评规范[3]。当前，碰撞

Center Of Force，COF）

兼容性评价指标以作用力中心（ 高

Crush- Work Stiffness） Kw

度和前部等效刚度（ 为代表[4- 5]，

但两者均要考虑整体载荷分布区间情况，单一指标无法有效考核车辆的兼容性能[6-8]。

Transport Research

本文在英国交通研究实验室（

Laboratory，TRL）

均匀性指数基础上，确立了一种车辆兼容性的评价方法，并对其一致性、重复性进行验证，利用

【摘要】为了对车辆碰撞兼容性进行评价，确定了一种基于全宽刚性壁障（ FWRB）试验的测评方法。利用测力墙采集车辆前端碰撞载荷，将载荷分解成垂直和水平方向内的4个区间，通过载荷的标准偏差和负偏差分析，进行加权归一化处理； 3款车型的6次试验结果表明，该方法的相对标准偏差可控制在8%以内。以20个车型的FWRB碰撞试验为样本进行了试验分析，结果表明：在垂直方向上，离地高度 330~580 mm的区域内， 80%的车辆前端结构满足碰撞载荷要求；而在水平方向上，车辆横向能量传递性能存在较大差异，需要从技术规范上加强引导。

20 Full Width Rigid Barrier，

款车型全宽刚性壁障（

FWRB）

试验结果研究被测车辆的兼容性现状，以期为我国未来相关标准、法规的制定提供依据。

2 测评方法

车辆正面碰撞兼容性能与车辆前端载荷分布特性相

TRL关，为衡量车辆前部结构作用力分布是否均衡， 提出了一种车辆均衡性评价方法[9- 10]，相对均匀性指数RHcl用来评估车辆总体作用力的分布均衡性，其计算公式为：

2

式中， L为评价区域内各单元的平均力； fij为载荷单元所受的峰值力； nr、nc分别为测力墙上载荷单元的行和列数量； ni、nj分别为第i行、第j列的碰撞载荷单元。

175~830 mm

评估区域一般选择垂直方向 高度、水

1 500 mm

平方向 宽度（以测力墙中心线为对称线）范围。RHcl越小，代表结构作用力分布越均匀。RHcl能有效评价结构件的能量传递，但是不能评估车辆碰撞结构件分布的高度和刚度，且确定评价区域时没有对应车辆尺寸的客观推导方法[11]。

TRL

为此，在 评价方法的基础上，引入结构相互作

Structural Index，SI），

用指数（ 即在相应的评估区域内，通过车辆前端碰撞载荷的大小和均匀性对车辆兼容性能进行量化， SI越小，车辆的碰撞兼容性越好。SI指标

Vertical Structural

包括垂直结构相互作用指数（

Interaction，VSI） Horizontal

和水平结构相互作用指数（

Structural Interaction，HSI）

。

2.1 垂直结构相互作用指数

VSI

用来评价车辆垂直方向上的结构性能，在相应高度区域内对载荷单元响应特性进行分析，评估区域如

1 VSI

图 所示。 评价步骤为：在测力墙（测力单元尺寸为

125 mm×125 mm， 80 mm） 3~4

下端离地间隙为 第 行对应的高度内进行评价，对载荷单元峰值之和VSIstep1提出

2~5

限值要求；对在第 行对应的区域载荷峰值及分布均匀性进行加权归一化处理，得到加权归一化指数

VSIstep2。

2.2 水平结构相互作用指数

HSI

用来评价水平方向上与车辆宽度相关联区域内的结构性能。在进行数据划分处理时，将该区域分为

3 4

中间、左侧和右侧 个部分。其中，中间区域覆盖 列载

80% 6

荷单元，两侧区域为车宽的 覆盖区域剔除中间 列

2 3 HSI

后所剩区域，图 、图 所示为 评估区域示意， HSIstep1

1

在评价区域 中进行， HSIstep2在评估区域2

中进行。

3 6

斜率为上述 种车型在 次试验中车身对应的OLC指

4 3 2

标。由图 可以看出，种车型 次重复试验的OLC差

2.07% 0.03% 0.03%，

异分别为 、 和 表明车型的碰撞强度

1 6控制在较好的范围内。表 所示为 次试验的VSI、HSI值：对于小型车， VSIstep2的RSD值最大，为6.68%；

对于普通乘用车， HSIstep2的RSD值最大，为6.08%； SUV

对于 车型， VSIstep2的RSD最大，达到7.97%

。

上述分析表明，利用VSI指标和HSI指标对车辆的8%兼容性进行评价，能够使RSD指标控制在 范围内，证明了评价指标的稳定性和可重复性。

4 车型评价结果

5） 100% 20

利用测力墙（见图 采集 正面碰撞中 款车

3 12

型前端的碰撞载荷，其中包括 辆小型车、 辆普通乘

5 SUV 128 125 mm×125 mm

用车和 辆 。测力墙由 块 的

80 mm，

载荷传感器组成，其下端离地间隙为 数据滤波

CFC60

频率采用 。为减少发动机等部件在碰撞过程中

SI

对结构作用力的影响，在计算 时，使用碰撞过程前

40 ms 6

内的载荷数据。图 所示为测试车型车宽及水平评估区域示意。

4.1 VSI指数分析

VSIstep1在离地330~580 mm

高度区域内评估。与美

Secondary Energy Absorbing Struc⁃

国辅助吸能结构（

tures，SEAS） 3 4

测试性质类似，要求车辆在第 行和第 行

上的碰撞峰值和大于Ftarget，因此 VSIstep1期望值为0 20

。

7 7 4

辆车型的评价结果如图 所示，由图 可看出，仅有 辆

20%

普通乘用车不满足这一要求，占评价车型总数的 。

VSIstep2在离地205~705 mm 8

高度区域内评估。图

20 8

所示为 个车型的评价结果。由图 可看出，在构成VSIstep2的变异系数和碰撞载荷负偏差2

个指标中，变异系数对VSIstep2的贡献率更大。图9

所示为测试车型在第

2~5

行高度上载荷峰值CV值。与小型车和普通乘用车

SUV SUV

相比， 间的CV值偏差更大，表明不同的 在均衡

10 2~

性指标上存在更大差异。图 所示为测试车辆在第

5 2 5行上的载荷负偏差。NDev值主要出现在第 行和第

5 SUV行，小型车在第 行NDev值更大，而普通乘用车和

2

在第 行上NDev值偏大。

1 80%

VSI评价结果表明：在第 步评估区域内， 的车2

型能够满足碰撞强度要求；在第 步评估区域内，小型

5 -车第 行上的NDev值偏大，应加强水箱框架上横梁 上

-A SUV 2

纵梁 柱上路径能量传递和吸收， 的第 行NDev

- -

值偏大，需加强副车架 车轮 门槛下路径的能量传递

SUV

和吸收，同时，在所有车型中， 的载荷分布均衡性差异最大，可见其前端部件整体能量传递性能有改进的空间。

4.2 HSI分析

HSI

在 评估区域内，车辆横梁所处位置与中心区域对应，纵梁所处位置与两侧区域对应。车辆前端结构

125 mm×125 mm

在 单元上承载的碰撞力峰值以TC值为目标。

11 12 20

图 和图 所示分别为 个车型的 HSIstep1 和HSIstep2。在HSI对应的评估区域内， 70% 14

的车辆（ 个车型）中心区域内的载荷负偏差比两侧大，代表中心横梁处的碰撞承载能力偏弱。因此，为了使横梁与纵梁之间的传力路径更清晰，以得到质量分布均匀的结构，应增强横梁及关联部件的刚度，保证车辆前端抗撞结构的刚

13 14

图 和图 分别为HSIstep2对应的载荷负偏差值分

3 4

布情况。车辆在第 行和第 行上的整体NDev值偏大，因此在增强横梁刚度的同时，应适当提高包括纵梁结构在内的车辆侧向刚度。

4.3 结构相互作用指数

15 SI

图 所示为评测车型 指标分布情况。从车辆前

/

端载荷在水平垂直方向上的分布指数来看， VSI较小，代表车型在垂直方向上载荷分布性能良好，在水平方向

2

上的 个评估区域内，不同车型HSI值差异大，载荷横向

SUV

分布性能差异较大， 车型尤为明显。因此需综合考虑包括横梁在内的整体传力路径，优化构件间的溃压模式及刚度。

5 结束语

针对车辆的碰撞兼容性能，本文确立了一种基于测

FWRB

力墙应用的 测试方法。在划定的评估区域内，对车辆前端碰撞载荷进行偏差分析，使用加权归一化指数来评估车辆碰撞载荷在水平和垂直方向上的传递情况，

3

以及传力方式与车辆前端刚度的协同情况。通过 款

6

车型的 次试验，对测评方法的有效性进行了验证。以

20

个车型为样本进行了试验分析，结果表明，在垂直方

330~580 mm 80%

向上离地 的区域内， 的车辆前端结构能满足碰撞载荷要求，而在水平方向上，车辆横向能量

SUV

传递性能整体上仍需加强， 的表现更为明显。

参考文献

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