在要求嚴苛的汽車(chē)工程領(lǐng)域，確保車(chē)輛安全至關(guān)重要。物理碰撞測試雖然對于最終驗證必不可少，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 是一款強大的有限元分析 (FEA) 工具，它允許工程師對汽車(chē)碰撞的復雜動(dòng)態(tài)進(jìn)行虛擬仿真和分析，從而極大地減少了對物理原型的需求，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用尤為重要。通過(guò)建立詳細的車(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、側面和翻滾碰撞——以便在制造物理原型之前準確預測結構行為、評估能量吸收，并評估乘員約束系統的有效性。

Abaqus 在這一關(guān)鍵應用中的優(yōu)勢源于其幾項核心能力：

· 顯式動(dòng)力學(xué)： 碰撞事件是高速、短時(shí)且高度非線(xiàn)性的。Abaqus/Explicit 專(zhuān)門(mén)設計用于高效求解這類(lèi)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)勢之一。正如行業(yè)領(lǐng)導者所示，實(shí)現與物理測試結果超過(guò) 95% 的關(guān)聯(lián)度是可以達到的。這種高保真度直接轉化為物理碰撞測試的大幅減少（高達 60% 的減少）和開(kāi)發(fā)時(shí)間的顯著(zhù)縮短（高達 40% 的減少）。

· 多物理場(chǎng)耦合： 現代車(chē)輛安全不僅涉及結構完整性。Abaqus 可以耦合不同的物理場(chǎng)，從而實(shí)現對復雜相互作用的真實(shí)仿真，例如安全氣囊展開(kāi)過(guò)程中的熱-機械響應，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。

· 并行計算： 整車(chē)碰撞模型非常龐大，通常包含數百萬(wàn)個(gè)單元。Abaqus 設計用于利用高性能計算 (HPC) 集群，實(shí)現高效并行處理，從而在實(shí)際可行的時(shí)限內處理這些大規模仿真。

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

使用 Abaqus 進(jìn)行碰撞測試工作流程

使用 Abaqus 從車(chē)輛概念到具有碰撞安全性的設計，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)和內部組件的復雜幾何形狀離散化為相互連接的單元網(wǎng)格。準確表示車(chē)輛結構至關(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于獲得準確的仿真結果至關(guān)重要。Abaqus 擁有豐富的材料模型庫，能夠仿真汽車(chē)材料的復雜行為，例如金屬在高應變率下的行為（使用塑性模型）、復合材料、塑料、泡沫以及橡膠部件的超彈性行為。

圖2 汽車(chē)部件對應的不同材料模型

3. 碰撞場(chǎng)景設置： 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試。這包括設置車(chē)輛的初始速度和軌跡，定義不同部件之間的接觸界面，并根據法規標準建模具有適當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)求解器運行仿真。該軟件計算車(chē)輛在整個(gè)碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應，捕捉結構變形、能量吸收和載荷傳遞的復雜過(guò)程。

5. 結果分析與優(yōu)化： 仿真完成后，工程師分析生成的大量數據。這包括可視化變形模式，檢查應力應變分布，計算關(guān)鍵部件和虛擬乘員（使用經(jīng)過(guò)驗證的假人模型）上的加速度和力，以及評估能量吸收機制。此分析突出顯示了設計中需要改進(jìn)的區域，從而進(jìn)行迭代設計更改和進(jìn)一步仿真，直到滿(mǎn)足安全目標。

圖3 汽車(chē)碰撞仿真結果

降低碰撞測試成本的策略

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

1. 虛擬測試平臺： 降低成本的基礎是建立成熟的虛擬測試平臺。通過(guò)將仿真結果與數量有限的物理測試結果進(jìn)行持續驗證，工程師可以增強對其虛擬模型的信心，從而使他們能夠更大幅度地依賴(lài)仿真進(jìn)行設計迭代。這直接導致了物理測試和開(kāi)發(fā)時(shí)間的減少。

圖4 汽車(chē)碰撞結果比對

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

圖5 計算機集群配置

2. 模型和參數優(yōu)化： 對模型細節和仿真參數進(jìn)行更精細的控制可以產(chǎn)生更好的結果和效率。這包括智能網(wǎng)格細化——僅在高度變形和應力的關(guān)鍵區域使用更精細的網(wǎng)格——以及使用實(shí)驗數據（如拉伸測試、高速碰撞測試）仔細校準材料模型。精確的接觸和摩擦設置以及表示碰撞壁障和地面接觸的真實(shí)邊界條件對于獲得可靠的仿真結果至關(guān)重要。監測求解器中的能量比有助于確保仿真的穩定性和可靠性。

3. 硬件架構優(yōu)化： Abaqus 的性能在很大程度上取決于底層硬件。投資于針對 FEA 優(yōu)化的硬件架構，包括配備高性能 CPU 和 GPU 的計算節點(diǎn)、快速且可擴展的存儲解決方案（如 GPFS）以及低延遲網(wǎng)絡(luò )（如 InfiniBand），可以顯著(zhù)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： 現代開(kāi)發(fā)通常需要同時(shí)測試設計的多個(gè)變體或仿真各種碰撞條件。Abaqus 在 HPC 集群上并行運行多個(gè)獨立仿真的能力最大化了硬件利用率，并顯著(zhù)縮短了整體設計優(yōu)化周期。

凱思案例研

Abaqus 在汽車(chē)行業(yè)的實(shí)際應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 的虛擬測試平臺，實(shí)現了超過(guò) 95% 的仿真精度，從而顯著(zhù)提高了效率，將物理測試減少了 60%，并將研發(fā)時(shí)間縮短了 40%。

· 一家新能源汽車(chē)原始設備制造商 (OEM) 利用基于仿真的數字孿生，將碰撞安全迭代周期加快了五倍，節省了巨額成本（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)運行多個(gè)場(chǎng)景，優(yōu)化資源利用并加快設計驗證。

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

碰撞測試成本降低 50% 以上的途徑

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

結論

Abaqus 徹底改變了汽車(chē)碰撞測試。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)濟的方式進(jìn)行安全設計。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)現顯著(zhù)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(zhù)仿真技術(shù)與人工智能和大數據的不斷融合，Abaqus 為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)的能力和價(jià)值將持續增長(cháng)。