在要求嚴(yán)苛的汽車(chē)工程領(lǐng)域，確保車(chē)輛安全至關(guān)重要。物理碰撞測(cè)試雖然對(duì)于最終驗(yàn)證必不可少，但過(guò)程耗時(shí)且成本極高。正是在這種情況下，由 Dassault Systèmes 開(kāi)發(fā)的先進(jìn)仿真軟件 Abaqus 變得不可或缺。Abaqus 是一款強(qiáng)大的有限元分析 (FEA) 工具，它允許工程師對(duì)汽車(chē)碰撞的復(fù)雜動(dòng)態(tài)進(jìn)行虛擬仿真和分析，從而極大地減少了對(duì)物理原型的需求，并加速了更安全汽車(chē)的開(kāi)發(fā)周期。

Abaqus 的多功能性涵蓋了眾多工程學(xué)科，但其在汽車(chē)碰撞安全分析中的應(yīng)用尤為重要。通過(guò)建立詳細(xì)的車(chē)輛有限元模型，工程師可以仿真各種碰撞場(chǎng)景——包括正面、側(cè)面和翻滾碰撞——以便在制造物理原型之前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)行為、評(píng)估能量吸收，并評(píng)估乘員約束系統(tǒng)的有效性。

Abaqus 在這一關(guān)鍵應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)源于其幾項(xiàng)核心能力：

· 顯式動(dòng)力學(xué)： 碰撞事件是高速、短時(shí)且高度非線性的。Abaqus/Explicit 專門(mén)設(shè)計(jì)用于高效求解這類動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，使其成為仿真碰撞過(guò)程中發(fā)生的快速變形和材料失效的理想求解器。

· 高精度仿真： Abaqus 仿真的精度是其主要優(yōu)勢(shì)之一。正如行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者所示，實(shí)現(xiàn)與物理測(cè)試結(jié)果超過(guò) 95% 的關(guān)聯(lián)度是可以達(dá)到的。這種高保真度直接轉(zhuǎn)化為物理碰撞測(cè)試的大幅減少（高達(dá) 60% 的減少）和開(kāi)發(fā)時(shí)間的顯著縮短（高達(dá) 40% 的減少）。

· 多物理場(chǎng)耦合： 現(xiàn)代車(chē)輛安全不僅涉及結(jié)構(gòu)完整性。Abaqus 可以耦合不同的物理場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜相互作用的真實(shí)仿真，例如安全氣囊展開(kāi)過(guò)程中的熱-機(jī)械響應(yīng)，或碰撞過(guò)程中輪胎與水相互作用的水動(dòng)力滑行場(chǎng)景。

· 并行計(jì)算： 整車(chē)碰撞模型非常龐大，通常包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)單元。Abaqus 設(shè)計(jì)用于利用高性能計(jì)算 (HPC) 集群，實(shí)現(xiàn)高效并行處理，從而在實(shí)際可行的時(shí)限內(nèi)處理這些大規(guī)模仿真。

使用 Abaqus 進(jìn)行虛擬碰撞測(cè)試的典型工作流程包括幾個(gè)關(guān)鍵階段：

使用 Abaqus 進(jìn)行碰撞測(cè)試工作流程

使用 Abaqus 從車(chē)輛概念到具有碰撞安全性的設(shè)計(jì)，需要經(jīng)歷幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1. 有限元模型建立： 第一步是建立車(chē)輛的高保真三維有限元模型。這涉及將車(chē)身、底盤(pán)和內(nèi)部組件的復(fù)雜幾何形狀離散化為相互連接的單元網(wǎng)格。準(zhǔn)確表示車(chē)輛結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

圖1 汽車(chē)碰撞有限元模型

2. 材料屬性定義： 為模型的各個(gè)部分分配正確的材料屬性對(duì)于獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果至關(guān)重要。Abaqus 擁有豐富的材料模型庫(kù)，能夠仿真汽車(chē)材料的復(fù)雜行為，例如金屬在高應(yīng)變率下的行為（使用塑性模型）、復(fù)合材料、塑料、泡沫以及橡膠部件的超彈性行為。

圖2 汽車(chē)部件對(duì)應(yīng)的不同材料模型

3. 碰撞場(chǎng)景設(shè)置： 此階段涉及定義仿真的初始條件和邊界條件，以模擬特定的碰撞測(cè)試。這包括設(shè)置車(chē)輛的初始速度和軌跡，定義不同部件之間的接觸界面，并根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)建模具有適當(dāng)剛度和摩擦屬性的障礙物或桿（例如，50 公里/小時(shí)正面剛性壁障，側(cè)面撞擊桿）。

4. 仿真分析： 定義好模型和場(chǎng)景后，使用 Abaqus 中的顯式動(dòng)力學(xué)求解器運(yùn)行仿真。該軟件計(jì)算車(chē)輛在整個(gè)碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，捕捉結(jié)構(gòu)變形、能量吸收和載荷傳遞的復(fù)雜過(guò)程。

5. 結(jié)果分析與優(yōu)化： 仿真完成后，工程師分析生成的大量數(shù)據(jù)。這包括可視化變形模式，檢查應(yīng)力應(yīng)變分布，計(jì)算關(guān)鍵部件和虛擬乘員（使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的假人模型）上的加速度和力，以及評(píng)估能量吸收機(jī)制。此分析突出顯示了設(shè)計(jì)中需要改進(jìn)的區(qū)域，從而進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)更改和進(jìn)一步仿真，直到滿足安全目標(biāo)。

圖3 汽車(chē)碰撞仿真結(jié)果

降低碰撞測(cè)試成本的策略

除了簡(jiǎn)單地用虛擬測(cè)試取代物理測(cè)試外，汽車(chē)制造商還在利用 Abaqus 實(shí)施先進(jìn)策略，以大幅降低碰撞測(cè)試成本：

1. 虛擬測(cè)試平臺(tái)： 降低成本的基礎(chǔ)是建立成熟的虛擬測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)將仿真結(jié)果與數(shù)量有限的物理測(cè)試結(jié)果進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證，工程師可以增強(qiáng)對(duì)其虛擬模型的信心，從而使他們能夠更大幅度地依賴仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。這直接導(dǎo)致了物理測(cè)試和開(kāi)發(fā)時(shí)間的減少。

圖4 汽車(chē)碰撞結(jié)果比對(duì)

并行計(jì)算優(yōu)化： 高性能計(jì)算是一項(xiàng)重大投資。通過(guò)動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡、混合 MPI/OpenMP 并行化以及利用 GPU 加速特定計(jì)算（如接觸算法）來(lái)優(yōu)化其使用，可確保仿真盡可能高效運(yùn)行，從而降低每次仿真的計(jì)算時(shí)間和成本。

圖5 計(jì)算機(jī)集群配置

2. 模型和參數(shù)優(yōu)化： 對(duì)模型細(xì)節(jié)和仿真參數(shù)進(jìn)行更精細(xì)的控制可以產(chǎn)生更好的結(jié)果和效率。這包括智能網(wǎng)格細(xì)化——僅在高度變形和應(yīng)力的關(guān)鍵區(qū)域使用更精細(xì)的網(wǎng)格——以及使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如拉伸測(cè)試、高速碰撞測(cè)試）仔細(xì)校準(zhǔn)材料模型。精確的接觸和摩擦設(shè)置以及表示碰撞壁障和地面接觸的真實(shí)邊界條件對(duì)于獲得可靠的仿真結(jié)果至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)求解器中的能量比有助于確保仿真的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 硬件架構(gòu)優(yōu)化： Abaqus 的性能在很大程度上取決于底層硬件。投資于針對(duì) FEA 優(yōu)化的硬件架構(gòu)，包括配備高性能 CPU 和 GPU 的計(jì)算節(jié)點(diǎn)、快速且可擴(kuò)展的存儲(chǔ)解決方案（如 GPFS）以及低延遲網(wǎng)絡(luò)（如 InfiniBand），可以顯著縮短仿真周期，并提高整個(gè)仿真過(guò)程的成本效益。提到特定硬件配置可將速度提高 3.8 倍的案例研究突顯了這一點(diǎn)。

多場(chǎng)景并行仿真： 現(xiàn)代開(kāi)發(fā)通常需要同時(shí)測(cè)試設(shè)計(jì)的多個(gè)變體或仿真各種碰撞條件。Abaqus 在 HPC 集群上并行運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立仿真的能力最大化了硬件利用率，并顯著縮短了整體設(shè)計(jì)優(yōu)化周期。

凱思案例研

Abaqus 在汽車(chē)行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用展示了其變革性的力量：

· 一家汽車(chē)零部件制造商通過(guò)建立基于 Abaqus 的虛擬測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 95% 的仿真精度，從而顯著提高了效率，將物理測(cè)試減少了 60%，并將研發(fā)時(shí)間縮短了 40%。

· 一家新能源汽車(chē)原始設(shè)備制造商 (OEM) 利用基于仿真的數(shù)字孿生，將碰撞安全迭代周期加快了五倍，節(jié)省了巨額成本（某案例中引用超過(guò) 2.3 億人民幣）。

· 公司通常使用并行碰撞仿真在 HPC 集群上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)場(chǎng)景，優(yōu)化資源利用并加快設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

· 硬件優(yōu)化，包括 CPU+GPU 混合調(diào)度，使得某公司通過(guò)提高仿真吞吐量，僅在 11 個(gè)月內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了硬件投資回報(bào)。

碰撞測(cè)試成本降低 50% 以上的途徑

通過(guò)戰(zhàn)略性地結(jié)合高精度虛擬測(cè)試平臺(tái)的力量，優(yōu)化并行計(jì)算資源，精細(xì)化模型和參數(shù)，投資于高效硬件，并執(zhí)行多場(chǎng)景并行仿真，汽車(chē)制造商可以切實(shí)地將其碰撞測(cè)試成本降低 50% 以上。

結(jié)論

Abaqus 徹底改變了汽車(chē)碰撞測(cè)試。它已從一個(gè)利基的仿真工具發(fā)展成為車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程的核心支柱，使工程師能夠以虛擬、高效且經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。通過(guò)采用先進(jìn)的仿真策略，汽車(chē)制造商不僅可以實(shí)現(xiàn)顯著的成本降低，還可以更快地將更安全的車(chē)輛推向市場(chǎng)。隨著仿真技術(shù)與人工智能和大數(shù)據(jù)的不斷融合，Abaqus 為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)的能力和價(jià)值將持續(xù)增長(zhǎng)。