在要求嚴苛的汽車工程領域，確保車輛安全至關(guān)重要。物理碰撞測試雖然對于最終驗證必不可少，但過程耗時且成本極高。正是在這種情況下，由 Dassault Systèmes 開發(fā)的先進仿真軟件 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碰撞的復雜動態(tài)進行虛擬仿真和分析，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的開發(fā)周期。

Abaqus 的多功能性涵蓋了眾多工程學科，但其在汽車碰撞安全分析中的應用尤為重要。通過建立詳細的車輛有限元模型，工程師可以仿真各種碰撞場景——包括正面、側(cè)面和翻滾碰撞——以便在制造物理原型之前準確預測結(jié)構(gòu)行為、評估能量吸收，并評估乘員約束系統(tǒng)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：

· 顯式動力學： 碰撞事件是高速、短時且高度非線性的。Abaqus/Explicit 專門設計用于高效求解這類動力學問題，使其成為仿真碰撞過程中發(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)領導者所示，實現(xiàn)與物理測試結(jié)果超過 95% 的關(guān)聯(lián)度是可以達到的。這種高保真度直接轉(zhuǎn)化為物理碰撞測試的大幅減少（高達 60% 的減少）和開發(fā)時間的顯著縮短（高達 40% 的減少）。

· 多物理場耦合： 現(xiàn)代車輛安全不僅涉及結(jié)構(gòu)完整性。Abaqus 可以耦合不同的物理場，從而實現(xiàn)對復雜相互作用的真實仿真，例如安全氣囊展開過程中的熱-機械響應，或碰撞過程中輪胎與水相互作用的水動力滑行場景。

· 并行計算： 整車碰撞模型非常龐大，通常包含數(shù)百萬個單元。Abaqus 設計用于利用高性能計算 (HPC) 集群，實現(xiàn)高效并行處理，從而在實際可行的時限內(nèi)處理這些大規(guī)模仿真。

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

使用 Abaqus 進行碰撞測試工作流程

使用 Abaqus 從車輛概念到具有碰撞安全性的設計，需要經(jīng)歷幾個關(guān)鍵步驟：

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

圖1 汽車碰撞有限元模型

2. 材料屬性定義： 為模型的各個部分分配正確的材料屬性對于獲得準確的仿真結(jié)果至關(guān)重要。Abaqus 擁有豐富的材料模型庫，能夠仿真汽車材料的復雜行為，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 汽車部件對應的不同材料模型

3. 碰撞場景設置： 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/小時正面剛性壁障，側(cè)面撞擊桿）。

4. 仿真分析： 定義好模型和場景后，使用 Abaqus 中的顯式動力學求解器運行仿真。該軟件計算車輛在整個碰撞過程中的動態(tài)響應，捕捉結(jié)構(gòu)變形、能量吸收和載荷傳遞的復雜過程。

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，檢查應力應變分布，計算關(guān)鍵部件和虛擬乘員（使用經(jīng)過驗證的假人模型）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的區(qū)域，從而進行迭代設計更改和進一步仿真，直到滿足安全目標。

圖3 汽車碰撞仿真結(jié)果

降低碰撞測試成本的策略

除了簡單地用虛擬測試取代物理測試外，汽車制造商還在利用 Abaqus 實施先進策略，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。通過將仿真結(jié)果與數(shù)量有限的物理測試結(jié)果進行持續(xù)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仿真進行設計迭代。這直接導致了物理測試和開發(fā)時間的減少。

圖4 汽車碰撞結(jié)果比對

并行計算優(yōu)化： 高性能計算是一項重大投資。通過動態(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間和成本。

圖5 計算機集群配置

2. 模型和參數(shù)優(yōu)化： 對模型細節(jié)和仿真參數(shù)進行更精細的控制可以產(chǎn)生更好的結(jié)果和效率。這包括智能網(wǎng)格細化——僅在高度變形和應力的關(guān)鍵區(qū)域使用更精細的網(wǎng)格——以及使用實驗數(shù)據(jù)（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邊界條件對于獲得可靠的仿真結(jié)果至關(guān)重要。監(jiān)測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 FEA 優(yōu)化的硬件架構(gòu)，包括配備高性能 CPU 和 GPU 的計算節(jié)點、快速且可擴展的存儲解決方案（如 GPFS）以及低延遲網(wǎng)絡（如 InfiniBand），可以顯著縮短仿真周期，并提高整個仿真過程的成本效益。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。

多場景并行仿真： 現(xiàn)代開發(fā)通常需要同時測試設計的多個變體或仿真各種碰撞條件。Abaqus 在 HPC 集群上并行運行多個獨立仿真的能力最大化了硬件利用率，并顯著縮短了整體設計優(yōu)化周期。

凱思案例研

Abaqus 在汽車行業(yè)的實際應用展示了其變革性的力量：

· 一家汽車零部件制造商通過建立基于 Abaqus 的虛擬測試平臺，實現(xiàn)了超過 95% 的仿真精度，從而顯著提高了效率，將物理測試減少了 60%，并將研發(fā)時間縮短了 40%。

· 一家新能源汽車原始設備制造商 (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 2.3 億人民幣）。

· 公司通常使用并行碰撞仿真在 HPC 集群上同時運行多個場景，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(diào)度，使得某公司通過提高仿真吞吐量，僅在 11 個月內(nèi)就實現(xiàn)了硬件投資回報。

碰撞測試成本降低 50% 以上的途徑

通過戰(zhàn)略性地結(jié)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(shù)，投資于高效硬件，并執(zhí)行多場景并行仿真，汽車制造商可以切實地將其碰撞測試成本降低 50% 以上。

結(jié)論

Abaqus 徹底改變了汽車碰撞測試。它已從一個利基的仿真工具發(fā)展成為車輛開發(fā)過程的核心支柱，使工程師能夠以虛擬、高效且經(jīng)濟的方式進行安全設計。通過采用先進的仿真策略，汽車制造商不僅可以實現(xiàn)顯著的成本降低，還可以更快地將更安全的車輛推向市場。隨著仿真技術(shù)與人工智能和大數(shù)據(jù)的不斷融合，Abaqus 為汽車行業(yè)帶來的能力和價值將持續(xù)增長。