下一代碰撞仿真技術(shù)：可視化分析

寂靜天花板

隨著計(jì)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(jí)別更高的大型汽車模型。
        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(jì)算速度的不斷提升，工程師可以利用更多的時(shí)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(shí)還可以加快最終產(chǎn)品投放市場的時(shí)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(jì)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(shí)間就要更長，而為了嘗試不同的對(duì)策，這樣就會(huì)減少仿真的量。”
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: |& N# R: g9 p. g4 N! Q        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(shí)間縮短到僅24 小時(shí)以內(nèi)。
        “計(jì)算機(jī)的速度在不斷提升，與此同時(shí)，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(huì)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(duì)其進(jìn)行渲染。OEM 往往希望第二天就可以完成整個(gè)仿真工作。”
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' _& a: z  N9 s' D' P- l$ w' S" l通用公司車輛安全性能集成高級(jí)經(jīng)理Ken Bonello 親身見證了高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提升過程，以及其對(duì)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。
        “舉例來說，大約10 到12 年前，一個(gè)有限元碰撞模型可能包含一百萬個(gè)左右的有限單元，而今天一個(gè)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(gè)，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(jì)算能力決定了我們只需要一個(gè)晚上就可以完成這些整車碰撞的仿真。”
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! k1 L& ~% X3 z6 L9 N' y* [8 Z        對(duì)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(xiàng)目的結(jié)尾做一個(gè)物理測試來對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)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(shí)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(xiǎn)協(xié)會(huì)）的小重疊前向碰撞測試，經(jīng)證明對(duì)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。
        “我們常常面臨的情況是，車輛的碰撞方式與我們?cè)谠O(shè)計(jì)車輛的主要吸能結(jié)構(gòu)時(shí)構(gòu)想的不完全一樣，”Mason 說道。“因此我們會(huì)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(gè)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?cè)谟邢拊７矫婊撕芏鄷r(shí)間，目的是提高安全氣囊在整個(gè)打開過程中的精準(zhǔn)度。”
; q: U6 t' l5 |3 w- H4 e        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(duì)其進(jìn)行精確的仿真。
0 G9 D! j$ n/ ~" L2 C, l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(duì)軟件來說這就意味著大量的開發(fā)工作，我們要確保對(duì)這些材料的預(yù)測可以達(dá)到對(duì)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(shí)又不希望增加開發(fā)時(shí)間。”
9 J5 e" }' I$ ~9 y4 h7 w0 X$ y        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(duì)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。
        “材料連接處的建模對(duì)提高整個(gè)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。”

) u- _% e. H1 s+ E* s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(gè)增加到幾億個(gè)。
# B9 O. V; L1 D2 S, ~' c; H/ b1 n" E        “要做到這一點(diǎn)，我們首先需要開發(fā)一個(gè)可以高度并行運(yùn)行的求解器，”Mason 說道。“計(jì)算機(jī)的計(jì)算內(nèi)核動(dòng)輒幾千個(gè)，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(jì)算能力？”
9 Z1 L+ w9 s  X# L; G$ L        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(gè)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(xiàng)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。
        “在有限元分析中，每一次的碰撞序列都包含上百次的時(shí)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(jí)經(jīng)理Tim Ventura 說道。“所以如果有一百次的時(shí)間步，那么數(shù)據(jù)量就會(huì)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(huì)帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。”
- k+ J1 G; X0 U" ]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(shí)的3D 圖像呈現(xiàn)出來，讓工程師可以更加容易地對(duì)碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試，還可以很方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)上的修改。
2 `8 c* S; f( d$ m5 r* i        “如果你看到初步的模型和他們的預(yù)測性分析，你會(huì)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(duì)顏色的控制來增加陰影、光線和清晰度時(shí)，他們就會(huì)看到一些偏移和其他效果，這些他們?cè)谝酝哪Ｐ椭型ǔ６伎床坏健?duì)于工程師來說，這個(gè)軟件為他們提供了一個(gè)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。”
        本田工程師甚至還可以對(duì)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(gè)零部件，這樣可以進(jìn)行針對(duì)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(shí)效果可以從多個(gè)角度進(jìn)行觀察，包括從駕駛員的角度。
        “對(duì)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?huì)議時(shí)，他們準(zhǔn)備了所有開發(fā)進(jìn)度報(bào)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(shí)間在這些碰撞分析上，卻
4 I4 ?8 `& m, z+ g3 i7 j% j/ a( D        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(dòng)的方式來向管理層匯報(bào)工作的進(jìn)展情況，而且能夠讓他們真正了解他們?cè)谡f什么。因此他們不再談?wù)撘恍﹫D表和圖像，而是通過真實(shí)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(shí)地體驗(yàn)了整個(gè)碰撞過程。”
( G5 k2 w0 r8 v& @$ Y! a0 }. m        自1998 年以來，本田研究團(tuán)隊(duì)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)。
' l- h  M0 \; z+ T7 V; K; ^        “以前要想創(chuàng)建這樣的高度現(xiàn)實(shí)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(shí)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(xiàng)新技術(shù)，我們僅通過一個(gè)按鍵就可以創(chuàng)建并控制整個(gè)仿真過程，而且整個(gè)過程只需要幾個(gè)小時(shí)，而不是以往幾周的時(shí)間。”