下一代碰撞仿真技術(shù)：可視化分析

寂靜天花板

隨著計算機(jī)速度的提升及軟件本身在速度和性能方面的不斷提高，建模工具現(xiàn)在可以以更快的速度創(chuàng)建質(zhì)量和細(xì)節(jié)級別更高的大型汽車模型。
+ ^2 E  L2 M5 [# `& @        大部分車輛碰撞測試速度大概都在35-40mph（56-64km/h）之間，但是在仿真軟件中所做的碰撞測試，其速度在不斷提升。隨著計算速度的不斷提升，工程師可以利用更多的時間去進(jìn)行更多的研究和探索更多與重量、材料和性能相關(guān)的可選條件，同時還可以加快最終產(chǎn)品投放市場的時間。
        “我們一直在追求速度、精確度、可靠性和仿真結(jié)果的質(zhì)量，”Altair 公司全球汽車副總裁David Mason 說道。“在這些目標(biāo)中有一些是彼此矛盾的，非此即彼的關(guān)系，所以如果我們做出假設(shè)的話，我們可以以更快的速度進(jìn)行仿真。計算機(jī)的速度在不斷提高，我們也因此可以進(jìn)行更多的仿真分析，但是我們可以先做出一些假設(shè)，然后以更快的速度進(jìn)行仿真。如果我們要提高準(zhǔn)確性，仿真所需的時間就要更長，而為了嘗試不同的對策，這樣就會減少仿真的量。”

        速度一直是這家總部位于密歇根州特洛伊市軟件供應(yīng)商開發(fā)工作的重點(diǎn)。2010 年，Altair 與其他一些軟件開發(fā)商率先將整車碰撞有限元模型的網(wǎng)絡(luò)劃分、裝配及仿真時間縮短到僅24 小時以內(nèi)。
- k/ e0 E3 e( N3 z/ J6 M        “計算機(jī)的速度在不斷提升，與此同時，軟件本身的性能也在逐漸增加，每次發(fā)布的版本在速度和性能方面都會有提高，在這樣的情況下，建模工具運(yùn)行的速度就可以很快，足以讓你以較高的效率創(chuàng)建這些高質(zhì)量、細(xì)節(jié)很多的超大型模型，并對其進(jìn)行渲染。OEM 往往希望第二天就可以完成整個仿真工作。”
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通用公司車輛安全性能集成高級經(jīng)理Ken Bonello 親身見證了高性能計算機(jī)計算能力的不斷提升過程，以及其對創(chuàng)建更復(fù)雜、細(xì)節(jié)更多的有限元模型能力帶來的影響。
" m& X6 }) i: Q5 C        “舉例來說，大約10 到12 年前，一個有限元碰撞模型可能包含一百萬個左右的有限單元，而今天一個汽車的碰撞模型包含的有限單元大概在三百萬到五百萬個，具體多少取決于車型的不同，”Bonello 說道。“我們可以達(dá)到的細(xì)節(jié)程度和我們擁有的計算能力決定了我們只需要一個晚上就可以完成這些整車碰撞的仿真。”

        對虛擬模型的信心在不斷提升，一些汽車制造商如通用公司現(xiàn)在常常只在項目的結(jié)尾做一個物理測試來對系統(tǒng)的性能進(jìn)行確認(rèn)和驗證，而不再進(jìn)行連續(xù)的循環(huán)測試，后者既浪費(fèi)成本又消耗時間。
        不過，一些新的碰撞測試比如2012 年首次公布的IIHS（美國道路安全保險協(xié)會）的小重疊前向碰撞測試，經(jīng)證明對微型、小型及中等尺寸SUV來說具有較高的挑戰(zhàn)性。因此，要想獲得與成熟測試同樣的信心，需要進(jìn)行更多的學(xué)習(xí)和開發(fā)工作來預(yù)測這些測試的物理性能。
+ }! l$ O$ Y$ r* t! b        “我們常常面臨的情況是，車輛的碰撞方式與我們在設(shè)計車輛的主要吸能結(jié)構(gòu)時構(gòu)想的不完全一樣，”Mason 說道。“因此我們會采用很多安全氣囊來防止這樣的情況發(fā)生。我們需要建立非常精確的模型，要模擬整個過程，包括激發(fā)的方式、空氣填充的方式以及氣囊在車內(nèi)打開及分布的方式，所以我們在有限元建模方面花了很多時間，目的是提高安全氣囊在整個打開過程中的精準(zhǔn)度。”
9 W2 L. D+ l: `( @; K+ u6 ?, ]- Y        為了達(dá)到新的CAFE（企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性）標(biāo)準(zhǔn)，輕量化被視作重要的方式，汽車制造商因此在不斷拓展非傳統(tǒng)材料的使用。高強(qiáng)度鋼、鋁合金、錳合金以及復(fù)合材料在車輛結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用在不斷增加，因此目前有許多研究工作將重點(diǎn)放在如何預(yù)測這些材料的失效機(jī)理上，然后對其進(jìn)行精確的仿真。
8 x/ f0 g8 C* J  x( ?: H有許多工作放在了復(fù)合材料的精確預(yù)測上，”Mason 說道。“許多汽車制造商在努力降低車身重量，他們采用了一些新的材料，而對軟件來說這就意味著大量的開發(fā)工作，我們要確保對這些材料的預(yù)測可以達(dá)到對以往鋼材料的預(yù)測相同的精確度。他們希望建立更加精確的模型，而同時又不希望增加開發(fā)時間。”
        如何確定碰撞事故中的失效原因，從很大程度上來說取決于能否對這些不同材料的連接進(jìn)行精確的建模仿真，比如它們究竟是通過焊接、鉚接還是粘結(jié)在一起的。為了提高仿真的精確性，軟件開發(fā)商也在不斷更新材料連接的建模技術(shù)以及材料本身的模型。
, O7 K( }6 R/ c6 l- V        “材料連接處的建模對提高整個模型的精確性來說非常重要，”Bonello說道。“我們需要特別關(guān)注如何精確地捕捉連接的位置，以及車輛上采用的不同材料之間的可連接性。”
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模型的大小也在不斷增加，提供的細(xì)節(jié)更多。在一輛常見的汽車模型中，有限單元的數(shù)量有望從幾千萬個增加到幾億個。
/ x' Z0 s' p) x. B' x        “要做到這一點(diǎn)，我們首先需要開發(fā)一個可以高度并行運(yùn)行的求解器，”Mason 說道。“計算機(jī)的計算內(nèi)核動輒幾千個，從軟件的角度來說這也形成了一定的挑戰(zhàn)——如何利用這么強(qiáng)大的計算能力？”
        隨著模型變得越來越復(fù)雜，如何準(zhǔn)確地了解在碰撞仿真中所發(fā)生的每一個細(xì)節(jié)就變得越來越重要。以此為出發(fā)點(diǎn)，本田公司率先推出了一項3D 碰撞仿真可視化技術(shù)，作為達(dá)索系統(tǒng)公司旗下3DXCITE 品牌（收購自RTT）可視化軟件DeltaGen 的插件使用。
0 g2 E  c1 Z- ?        “在有限元分析中，每一次的碰撞序列都包含上百次的時間步，就好像車輛在發(fā)生碰撞的過程中連續(xù)拍了上百次張照片，而每一次都將產(chǎn)生1GB 甚至1.5GB 的數(shù)據(jù)，”達(dá)索系統(tǒng)公司業(yè)務(wù)開發(fā)高級經(jīng)理Tim Ventura 說道。“所以如果有一百次的時間步，那么數(shù)據(jù)量就會達(dá)到100-150GB。將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到可視化環(huán)境中，的確會帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。”
* c+ u6 D4 x5 J$ W8 I* P* _本田公司的可視化軟件可接收LS-DYNA 的輸出數(shù)據(jù)，以真實的3D 圖像呈現(xiàn)出來，讓工程師可以更加容易地對碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對不同的設(shè)計方案進(jìn)行測試，還可以很方便地進(jìn)行設(shè)計上的修改。
7 t- I, P4 _/ f- H7 o. \, p: v        “如果你看到初步的模型和他們的預(yù)測性分析，你會覺得他們的模型的精確度達(dá)到了90-95%，”Ventura 說道。“當(dāng)通過對顏色的控制來增加陰影、光線和清晰度時，他們就會看到一些偏移和其他效果，這些他們在以往的模型中通常都看不到。對于工程師來說，這個軟件為他們提供了一個很好的仿真工具，幫助他們盡可能地分析碰撞發(fā)生的情況。”
! p- `5 H4 X2 H  V3 I8 y        本田工程師甚至還可以對渲染效果進(jìn)行進(jìn)一步的操作，比如旋轉(zhuǎn)圖像，這樣可以從不同角度觀看，此外還可以隔離出車輛的某一部分或某個零部件，這樣可以進(jìn)行針對性的分析。此外，碰撞支架也可以在虛擬環(huán)境中渲染出來，以透明的方式顯示，這樣碰撞的即時效果可以從多個角度進(jìn)行觀察，包括從駕駛員的角度。
        “對于這些工程師來說，他們經(jīng)常碰到的一種情況就是當(dāng)他們?nèi)⒓庸芾韺訒h時，他們準(zhǔn)備了所有開發(fā)進(jìn)度報告，他們坐下來一起研究所有有關(guān)碰撞的預(yù)測性分析，”Ventura 說道。“結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)他們雖然花了很多時間在這些碰撞分析上，卻
; [" ^' G- S) Z3 r        有一半的人根本不了解甚至不關(guān)心在這些碰撞中真正發(fā)生了什么。所以他們希望采取一種更加互動的方式來向管理層匯報工作的進(jìn)展情況，而且能夠讓他們真正了解他們在說什么。因此他們不再談?wù)撘恍﹫D表和圖像，而是通過真實的模型來向管理層來展示，就好像握著他們的手帶著他們真實地體驗了整個碰撞過程。”
1 g8 F& V, S0 f, L8 h/ I        自1998 年以來，本田研究團(tuán)隊就開始采用LS-DYNA 非線性碰撞仿真技術(shù)，作為公司新模型開發(fā)流程的關(guān)鍵部分，而且采用該技術(shù)開發(fā)了一些新的安全系統(tǒng)，包括ACE 兼容性車身結(jié)構(gòu)。
$ j7 i: r2 U$ [- q8 o4 k        “以前要想創(chuàng)建這樣的高度現(xiàn)實渲染結(jié)果的話，需要工程師和渲染專家共同花上幾周的時間，而結(jié)果也只是比較單一的仿真圖像，只有一些固定的可視化參數(shù)，”本田北美研發(fā)中心碰撞安全組技術(shù)負(fù)責(zé)人Eric Dehoff 說道。“通過這項新技術(shù)，我們僅通過一個按鍵就可以創(chuàng)建并控制整個仿真過程，而且整個過程只需要幾個小時，而不是以往幾周的時間。”
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