下一代碰撞仿真技术：可视化分析

寂静天花板 · 发表于 2015-6-30 15:20:32

随着计算机速度的提升及软件本身在速度和性能方面的不断提高，建模工具现在可以以更快的速度创建质量和细节级别更高的大型汽车模型。
大部分车辆碰撞测试速度大概都在35-40mph（56-64km/h）之间，但是在仿真软件中所做的碰撞测试，其速度在不断提升。随着计算速度的不断提升，工程师可以利用更多的时间去进行更多的研究和探索更多与重量、材料和性能相关的可选条件，同时还可以加快最终产品投放市场的时间。
“我们一直在追求速度、精确度、可靠性和仿真结果的质量，”Altair 公司全球汽车副总裁David Mason 说道。“在这些目标中有一些是彼此矛盾的，非此即彼的关系，所以如果我们做出假设的话，我们可以以更快的速度进行仿真。计算机的速度在不断提高，我们也因此可以进行更多的仿真分析，但是我们可以先做出一些假设，然后以更快的速度进行仿真。如果我们要提高准确性，仿真所需的时间就要更长，而为了尝试不同的对策，这样就会减少仿真的量。”

速度一直是这家总部位于密歇根州特洛伊市软件供应商开发工作的重点。2010 年，Altair 与其他一些软件开发商率先将整车碰撞有限元模型的网络划分、装配及仿真时间缩短到仅24 小时以内。
“计算机的速度在不断提升，与此同时，软件本身的性能也在逐渐增加，每次发布的版本在速度和性能方面都会有提高，在这样的情况下，建模工具运行的速度就可以很快，足以让你以较高的效率创建这些高质量、细节很多的超大型模型，并对其进行渲染。OEM 往往希望第二天就可以完成整个仿真工作。”

通用公司车辆安全性能集成高级经理Ken Bonello 亲身见证了高性能计算机计算能力的不断提升过程，以及其对创建更复杂、细节更多的有限元模型能力带来的影响。
“举例来说，大约10 到12 年前，一个有限元碰撞模型可能包含一百万个左右的有限单元，而今天一个汽车的碰撞模型包含的有限单元大概在三百万到五百万个，具体多少取决于车型的不同，”Bonello 说道。“我们可以达到的细节程度和我们拥有的计算能力决定了我们只需要一个晚上就可以完成这些整车碰撞的仿真。”

对虚拟模型的信心在不断提升，一些汽车制造商如通用公司现在常常只在项目的结尾做一个物理测试来对系统的性能进行确认和验证，而不再进行连续的循环测试，后者既浪费成本又消耗时间。
不过，一些新的碰撞测试比如2012 年首次公布的IIHS（美国道路安全保险协会）的小重叠前向碰撞测试，经证明对微型、小型及中等尺寸SUV来说具有较高的挑战性。因此，要想获得与成熟测试同样的信心，需要进行更多的学习和开发工作来预测这些测试的物理性能。
“我们常常面临的情况是，车辆的碰撞方式与我们在设计车辆的主要吸能结构时构想的不完全一样，”Mason 说道。“因此我们会采用很多安全气囊来防止这样的情况发生。我们需要建立非常精确的模型，要模拟整个过程，包括激发的方式、空气填充的方式以及气囊在车内打开及分布的方式，所以我们在有限元建模方面花了很多时间，目的是提高安全气囊在整个打开过程中的精准度。”
为了达到新的CAFE（企业平均燃油经济性）标准，轻量化被视作重要的方式，汽车制造商因此在不断拓展非传统材料的使用。高强度钢、铝合金、锰合金以及复合材料在车辆结构件中的应用在不断增加，因此目前有许多研究工作将重点放在如何预测这些材料的失效机理上，然后对其进行精确的仿真。
有许多工作放在了复合材料的精确预测上，”Mason 说道。“许多汽车制造商在努力降低车身重量，他们采用了一些新的材料，而对软件来说这就意味着大量的开发工作，我们要确保对这些材料的预测可以达到对以往钢材料的预测相同的精确度。他们希望建立更加精确的模型，而同时又不希望增加开发时间。”
如何确定碰撞事故中的失效原因，从很大程度上来说取决于能否对这些不同材料的连接进行精确的建模仿真，比如它们究竟是通过焊接、铆接还是粘结在一起的。为了提高仿真的精确性，软件开发商也在不断更新材料连接的建模技术以及材料本身的模型。
“材料连接处的建模对提高整个模型的精确性来说非常重要，”Bonello说道。“我们需要特别关注如何精确地捕捉连接的位置，以及车辆上采用的不同材料之间的可连接性。”

模型的大小也在不断增加，提供的细节更多。在一辆常见的汽车模型中，有限单元的数量有望从几千万个增加到几亿个。
“要做到这一点，我们首先需要开发一个可以高度并行运行的求解器，”Mason 说道。“计算机的计算内核动辄几千个，从软件的角度来说这也形成了一定的挑战——如何利用这么强大的计算能力？”
随着模型变得越来越复杂，如何准确地了解在碰撞仿真中所发生的每一个细节就变得越来越重要。以此为出发点，本田公司率先推出了一项3D 碰撞仿真可视化技术，作为达索系统公司旗下3DXCITE 品牌（收购自RTT）可视化软件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时间步，就好像车辆在发生碰撞的过程中连续拍了上百次张照片，而每一次都将产生1GB 甚至1.5GB 的数据，”达索系统公司业务开发高级经理Tim Ventura 说道。“所以如果有一百次的时间步，那么数据量就会达到100-150GB。将这些数据导入到可视化环境中，的确会带来相当大的挑战。”
本田公司的可视化软件可接收LS-DYNA 的输出数据，以真实的3D 图像呈现出来，让工程师可以更加容易地对碰撞仿真结果进行分析，对不同的设计方案进行测试，还可以很方便地进行设计上的修改。
“如果你看到初步的模型和他们的预测性分析，你会觉得他们的模型的精确度达到了90-95%，”Ventura 说道。“当通过对颜色的控制来增加阴影、光线和清晰度时，他们就会看到一些偏移和其他效果，这些他们在以往的模型中通常都看不到。对于工程师来说，这个软件为他们提供了一个很好的仿真工具，帮助他们尽可能地分析碰撞发生的情况。”
本田工程师甚至还可以对渲染效果进行进一步的操作，比如旋转图像，这样可以从不同角度观看，此外还可以隔离出车辆的某一部分或某个零部件，这样可以进行针对性的分析。此外，碰撞支架也可以在虚拟环境中渲染出来，以透明的方式显示，这样碰撞的即时效果可以从多个角度进行观察，包括从驾驶员的角度。
“对于这些工程师来说，他们经常碰到的一种情况就是当他们去参加管理层会议时，他们准备了所有开发进度报告，他们坐下来一起研究所有有关碰撞的预测性分析，”Ventura 说道。“结果他们发现他们虽然花了很多时间在这些碰撞分析上，却
有一半的人根本不了解甚至不关心在这些碰撞中真正发生了什么。所以他们希望采取一种更加互动的方式来向管理层汇报工作的进展情况，而且能够让他们真正了解他们在说什么。因此他们不再谈论一些图表和图像，而是通过真实的模型来向管理层来展示，就好像握着他们的手带着他们真实地体验了整个碰撞过程。”
自1998 年以来，本田研究团队就开始采用LS-DYNA 非线性碰撞仿真技术，作为公司新模型开发流程的关键部分，而且采用该技术开发了一些新的安全系统，包括ACE 兼容性车身结构。
“以前要想创建这样的高度现实渲染结果的话，需要工程师和渲染专家共同花上几周的时间，而结果也只是比较单一的仿真图像，只有一些固定的可视化参数，”本田北美研发中心碰撞安全组技术负责人Eric Dehoff 说道。“通过这项新技术，我们仅通过一个按键就可以创建并控制整个仿真过程，而且整个过程只需要几个小时，而不是以往几周的时间。”

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