新闻详情

资讯中心

汽车正面碰撞安全性能评价软件

04.19

前言

汽车碰撞安全性能，即汽车发生碰撞之后对车内乘员的保护能力，也称作被动安全性能，由于直接关系到车内乘员的生命安全，深受广大消费者的关注。汽车结构的设计与碰撞安全性能直接相关，所以设计开发过程中对安全性能的评价方法就显得尤为重要。如果一种评价方法不能明确说明安全性能的优劣，则有极大可能将设计开发人员带入到错误的设计方向，从而增加设计成本和开发时间，甚至可能无法满足既定设计目标。

在C-NCAP规程中，乘员保护包含四项试验，分别是正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞试验，正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验，可变形移动壁障侧面碰撞试验（针对燃油车）/侧面柱碰撞试验（针对电动汽车）和鞭打试验。在碰撞试验中，正面碰撞包括FRB和MPDB两项测试，占比重最大，涉及零件最多。在正面碰撞中，FRB试验考验整个乘员舱，而MPDB测试中壁障与乘员舱只有一半重合。因此，汽车100%正面刚性碰撞性能的评价方法则成为汽车碰撞安全性能评价方法中的重中值重。

目前广泛使用的对汽车100%正面刚性碰撞性能的评价方法主要是对碰撞过程中B柱下端的减速度的评价。因为B柱下端紧靠驾驶员，通常可以认为是作用于驾驶员的减速度。为了方便观察和评价，工程师通常将得到的减速度倒置，成为加速度的形式。常用的评价加速度波形的方法主要有三种：有效加速度，汽车峰值脉冲指数（VPI）和乘员载荷准则（OLC）。这三种方法理论各不相同，但是都是通过计算得到一个加速度的数值，用加速度数值的大小近似的代表100%正面碰撞的安全性能。但是，汽车被动安全性能是针对车内乘员损伤来定义的，C-NCAP规程中也是对车内乘员在碰撞中损伤的严重程度进行星级区分。而且，碰撞过程中车内乘员的损伤不仅仅与碰撞的激烈程度有关，还与约束系统的设计有关，仅仅对车身加速度的评价并不能真正代表该车型的碰撞安全性能。因此，一种能够根据所得到的数据给出车内乘员损伤数值或者C-NCAP得分的评价方法对汽车碰撞安全性能开发工程师来说具有巨大的应用价值。有了这样的方法，工程师就能够根据准确的仿真数据来估计汽车碰撞安全性能，节省开发成本，缩短开发周期。

有限元模型建立

迈曦软件公司的工程师根据美国国家交通安全管理局（NHTSA）公开的庞大的碰撞试验数据库，分析相关的数据，找出碰撞过程中影响乘员损伤的关键数据，采用机器学习技术找出车身加速度等因素与乘员损伤的数学函数关系，开发了汽车正面碰撞安全性能评价软件。此软件能够根据输入的加速度波形，直接给出C-NCAP得分，准确、直观的对汽车正面碰撞安全性能进行评价。目前，此款软件只能对100%正面刚性碰撞安全性能进行评价，正面偏置碰撞的评价方法还在开发中。

软件的界面如图1。工程师只需要在软件左侧输入加速度曲线，点击apply按钮即可在软件右侧得到C-NCAP得分数值，如图2。操作简单，结果直观。

图1 汽车正面碰撞安全性能评价软件界面

图2 汽车正面碰撞驾驶员损伤评价结果

算例验证

在NHTSA官方网站上，丰田汽车公司2013年以来有43条100%正面刚性碰撞的试验记录，除去一些研究性的试验，按时间先后顺序选取30组试验数据对开发的软件进行验证。通过研究中国汽研公开的自2006年以来的碰撞试验数据，五星车型中几乎没有头颈部和大腿的扣分记录，所以测试中仅给出胸部和小腿的损伤结果。其中胸部损伤的验证统计结果见表1。

表1 胸部最大压缩量统计

编号	试验编号	时间	车型	试验数据		软件计算		误差
编号	试验编号	时间	车型	试验数据		软件计算		误差
-	-	-	-	压缩量（mm）	得分	压缩量（mm）	得分	压缩量（mm）	得分
1	14257	2022	Corolla	27	4.1	24.4	4.6	2.6	-0.5
2	14248	2022	Tundra	24.1	4.6	23.2	4.8	0.9	-0.2
3	11583	2021	Prius	28.3	3.9	25.5	4.4	2.8	-0.5
4	11394	2021	Prius	27.5	4	25.1	4.4	2.4	-0.4
5	11380	2021	C-HR	30.4	3.5	25.4	4.4	5	-0.9
6	11149	2020	Highlander	29.3	3.7	25.5	4.4	3.8	-0.7
7	10704	2019	RAV-4	26.5	4.2	24.6	4.5	1.9	-0.3
8	10671	2019	Avalon	22.1	5	22.7	4.9	-0.6	0.1
9	10651	2019	Corolla	24.1	4.6	24.2	4.6	-0.1	0
10	10555	2019	C-HR	19.8	5	21	5	-1.2	0
11	10151	2018	C-HR	25.7	4.3	23.8	4.7	1.9	-0.4
12	9984	2017	Corolla	24.6	4.5	23.2	4.8	1.4	-0.3
13	9982	2017	Yaris	19.7	5	21.1	5	-1.4	0
14	9649	2016	Prius	25.9	4.3	26.8	4.1	-0.9	0.2
15	9592	2016	Prius	27.4	4	29.2	3.7	-1.8	0.3
16	9077	2015	RAV-4	21.9	5	23.2	4.8	-1.3	0.2
17	9069	2015	Avalon	22.6	4.9	19.8	5	2.8	-0.1
18	9065	2015	Corolla	20.2	5	19.3	5	0.9	0
19	9035	2015	Tundra	26.3	4.2	26.7	4.2	-0.4	0
20	9029	2015	Tundra	27.5	4	26.2	4.3	1.3	-0.3
21	9012	2015	Sienna	21.5	5	22	5	-0.5	0
22	8589	2015	Tundra	32.3	3.2	27.8	4	4.5	-0.8
23	8545	2014	Camry	26.3	4.2	24.7	4.5	1.6	-0.3
24	8543	2014	Tundra	31.1	3.4	27.5	4	3.6	-0.6
25	8531	2014	Highlander	18.8	5	22.8	4.9	-4	0.1
26	8495	2014	Scion FR-S	19	5	22.6	4.9	-3.6	0.1
27	8459	2014	Prius	18.8	5	25.7	4.3	-6.9	0.7
28	8356	2013	RAV4	14.3	5	22.9	4.8	-8.6	0.2
29	8191	2013	RAV4	17.9	5	25.5	4.4	-7.6	0.6
30	8106	2013	Prius	21	5	24.2	4.6	-3.2	0.4

图3 最大胸部压缩量统计

从表1中可以看出，测试的车型几乎包含了丰田在美国上市的所有的乘用车型，很多车型在国内市场也有销售，比如普锐斯、卡罗来、凯美瑞、亚洲龙、雅力士这些轿车，RAV4（荣放）、C-HR，汉兰达这些运动型多用途车（SUV），以及未在国内上市的皮卡车坦途和轿车塞恩。从测试结果上来看，胸部得分误差超过0.5分的一共有六组，分别是2021年的C-HR、2020年的汉兰达、2014和2015年的坦途、2013和2014年的普锐斯、以及2013年的RAV4。

图4 给出了2019款（10555）与2021款（11380）C-HR两条碰撞加速度曲线。从图4可以看出，两条加速度曲线差别较小，尤其是在35毫秒以后的部分，二者几乎相同，但是两款车试验后假人的胸部最大压缩量却相差了10.6毫米。图5是三款Tundra的碰撞加速度比较，与C-HR类似，三款车之间加速度曲线差别较小，但是试验后假人的最大胸部压缩量却出现明显差别。表1中胸部最大压缩量最小值是2两款RAV4（8191和8356），加速度波形见图6。其中，试验编号为8191的曲线的峰值超过600m/s^s，最大胸压量为17.9毫米；而编号为8356的曲线峰值更是接近700m/s^s，其最大胸压量却仅有14.3毫米。可见碰撞强度并不是乘员损伤的唯一决定因素。

图4：两款C-HR车型碰撞加速度曲线

图5：三款Tundra车型碰撞加速度曲线

图6：两款RAV4碰撞加速度曲线

表2给出了小腿的最大压缩力的统计，其中软件计算得到的数值与试验数值差别最小的是编号8106的2103款prius，仅仅相差8N，差别最大的是编号9012的2015款Sienna，相差1880N。其他数据中，软件计算与试验结果大多相差在500N以内。相比胸部损伤，影响小腿损伤的因素更多，因此也更难估计。

表2：小腿最大压缩力统计

编号	试验编号	时间	车型	试验数据		软件计算		误差
-	-	-	-	小腿力（N）	得分	小腿力（N）	得分	小腿力(N)	得分
1	14257	2022	Corolla	1678	2	1200	2	478	0
2	14248	2022	Tundra	2677	1.77	2310	1.9	367	-0.13
3	11583	2021	Prius	2448	1.85	2290	1.9	158	-0.05
4	11394	2021	Prius	2424	1.87	2140	1.96	284	-0.09
5	11380	2021	C-HR	2120	1.96	2030	1.99	90	-0.03
6	11149	2020	Highlander	1717	2	2230	1.92	-513	0.08
7	10704	2019	RAV-4	3135	1.62	2840	1.72	295	-0.1
8	10671	2019	Avalon	3259	1.58	1480	2	1779	-0.42
9	10651	2019	Corolla	2806	1.73	2719	1.76	87	-0.03
10	10555	2019	C-HR	1926	2	1910	2	16	0
11	10151	2018	C-HR	1800	2	2130	1.96	-330	0.04
12	9984	2017	Corolla	2883	1.71	1870	2	1013	-0.29
13	9982	2017	Yaris	3607	1.47	2200	1.93	1407	-0.46
14	9649	2016	Prius	2600	1.8	2300	1.9	300	-0.1
15	9592	2016	Prius	2122	1.96	3370	1.54	-1248	0.42
16	9077	2015	RAV-4	2870	1.71	4650	1.12	-1780	0.59
17	9069	2015	Avalon	3717	1.43	1950	2	1767	-0.57
18	9065	2015	Corolla	3100	1.63	1700	2	1400	-0.37
19	9035	2015	Tundra	2527	1.82	2830	1.72	-303	0.1
20	9029	2015	Tundra	2714	1.76	3460	1.51	-746	0.25
21	9012	2015	Sienna	3650	1.45	1770	2	1880	-0.55
22	8589	2015	Tundra	3457	1.51	3330	1.56	127	-0.05
23	8545	2014	Camry	3090	1.64	2010	2	1080	-0.36
24	8543	2014	Tundra	2570	1.81	3250	1.58	-680	0.23
25	8531	2014	Highlander	2660	1.78	2550	1.82	110	-0.04
26	8495	2014	Scion FR-S	3105	1.63	2690	1.77	415	-0.14
27	8459	2014	Prius	3409	1.53	3490	1.5	-81	0.03
28	8356	2013	RAV4	4653	1.12	4930	1.03	-277	0.09
29	8191	2013	RAV4	4918	1.03	5080	0.97	-162	0.06
30	8106	2013	Prius	3114	1.63	3122	1.63	-8	0

结论

为了协助汽车碰撞安全性能开发工程师进行汽车碰撞安全性能的开发，迈曦软件开发了汽车碰撞安全性能评价软件，此款软件能够根据输入的数据（加速度曲线）直接给出C-NCAP得分，在使用丰田汽车公司的近10多年的30组试验数据进行测试后，绝大多数数据的误差在0.5分以内。由于影响乘员损伤的因素较多，后续将继续研究诸多因素对损伤的影响，继续提高软件的计算精度。