構(gòu)成汽車(chē)碰撞的物理現(xiàn)象極其復(fù)雜，而且整個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間非常短暫。轉(zhuǎn)瞬之間，材料就會(huì)發(fā)生變形，人們也因此面臨生死考驗(yàn)。 模擬汽車(chē)的耐撞性是當(dāng)今汽車(chē)工程師們所面臨的最困難的，也是最重要的一個(gè)挑戰(zhàn)。

耐撞性模擬的目的在于盡可能真實(shí)地模擬出汽車(chē)碰撞時(shí)所發(fā)生的一切，包括零件和裝置的壓碎、彎曲、扭曲、切變、拉長(zhǎng)以及磨損等情況以及對(duì)車(chē)內(nèi)乘客身體的加速作用力。一個(gè)能正確模擬相關(guān)物理學(xué)原理的分析模型對(duì)于汽車(chē)的安全問(wèn)題將帶來(lái)極大的益處。

除此之外，它還有助于節(jié)約成本。試想一下，實(shí)物碰撞測(cè)試只能發(fā)生一次，但是一個(gè)有效的碰撞模型只需少量的費(fèi)用就能夠運(yùn)行成百上千次模擬測(cè)試。

一些FEA（有限元分析）軟件開(kāi)發(fā)者不斷開(kāi)發(fā)創(chuàng)造出模擬耐撞性的各種新技術(shù)。在ABAQUS 公司，我們有幸與寶馬集團(tuán)的研究人員一起就該領(lǐng)域的一系列技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行合作。下面將詳細(xì)介紹一些所開(kāi)發(fā)出的能對(duì)汽車(chē)整體耐撞性和乘客安全性做出更精確預(yù)測(cè)的工具。這些研發(fā)成果絕大部分得益于高性能計(jì)算的發(fā)展。

薄壁鋁擠壓制品準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)式彎曲度測(cè)試的配置。

所用材料是鋁合金EN AW-7108 T6 擠壓制品。

耐撞性模擬的目的在于盡可能真實(shí)地模擬出汽車(chē)碰撞時(shí)所發(fā)生的一切，包括零件和裝置的壓碎、彎曲、扭曲、切變、拉長(zhǎng)以及磨損等情況以及對(duì)車(chē)內(nèi)乘客身體的加速作用力。一個(gè)能正確模擬相關(guān)物理學(xué)原理的分析模型對(duì)于汽車(chē)的安全問(wèn)題將帶來(lái)極大的益處。

除此之外，它還有助于節(jié)約成本。試想一下，實(shí)物碰撞測(cè)試只能發(fā)生一次，但是一個(gè)有效的碰撞模型只需少量的費(fèi)用就能夠運(yùn)行成百上千次模擬測(cè)試。

一些FEA（有限元分析）軟件開(kāi)發(fā)者不斷開(kāi)發(fā)創(chuàng)造出模擬耐撞性的各種新技術(shù)。在ABAQUS 公司，我們有幸與寶馬集團(tuán)的研究人員一起就該領(lǐng)域的一系列技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行合作。下面將詳細(xì)介紹一些所開(kāi)發(fā)出的能對(duì)汽車(chē)整體耐撞性和乘客安全性做出更精確預(yù)測(cè)的工具。這些研發(fā)成果絕大部分得益于高性能計(jì)算的發(fā)展。

材料損破建模

寶馬以及其他汽車(chē)生產(chǎn)商都在積極探索潛在的新型結(jié)構(gòu)材料，以減少汽車(chē)的重量，提高汽車(chē)的耐撞性。這類(lèi)材料包括各種各樣的鋁鎂合金、先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼等。但是這些材料的損壞原理有時(shí)候會(huì)不同于傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)材料。

以鋁為例。實(shí)驗(yàn)研究表明由鋁合金制成的金屬板和薄壁型材可能會(huì)因?yàn)槌珊俗饔谩⒂谰米冃我约安牧峡障兜木劢Y(jié)而使韌性遭受破壞。剪切帶內(nèi)破裂可能會(huì)導(dǎo)致剪切破壞，而局部不穩(wěn)定將導(dǎo)致其他破壞。

為了讓工程師們更好地了解這些新型結(jié)構(gòu)材料在承受碰撞時(shí)是怎樣遭受損壞的，我們已創(chuàng)造出了一個(gè)材料損壞通用框架，并在ABAQUS軟件中建立模型。在防撞性模擬中，材料硬度在材料開(kāi)始受損后逐漸降低，并與特定的損壞加劇反應(yīng)值相一致。工程師們可以指定一個(gè)或多個(gè)受損標(biāo)準(zhǔn)，包括變形、切變、成形極限圖、MS（Muschenborn-Sonne）成形極限圖和MK（Marciniak-Kuczynski）標(biāo)準(zhǔn)等。

寶馬公司的研究員們已證實(shí)：MS成形極限圖標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于他們所用材料的縮頸預(yù)測(cè)特別有幫助。若變形程度超出成形極限，則材料很有可能出現(xiàn)諸如縮頸或破裂之類(lèi)的破壞現(xiàn)象。使用MS成形極限圖的好處在于它考慮到了變形過(guò)程對(duì)金屬板變形極限的影響，而傳統(tǒng)的成形極限圖只對(duì)線性應(yīng)變過(guò)程有效。

有了ABAQUS公司的軟件，碰撞分析人員就可以在模擬過(guò)程中同時(shí)考慮加工影響因素。通過(guò)在實(shí)際發(fā)生碰撞前找出金屬板中現(xiàn)已存在的變形情況，模擬試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫姆从澄矬w的真實(shí)情況（參見(jiàn)圖1a-1d）。ABAQUS軟件的破壞框架結(jié)構(gòu)可廣泛適用于各行各業(yè)。舉例來(lái)說(shuō)，它可用于制造設(shè)置，從而模擬金屬切割過(guò)程。

獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件

汽車(chē)裝配通常包含成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)焊。在碰撞過(guò)程中，點(diǎn)焊受損或遭破壞的方式會(huì)顯著影響到汽車(chē)整體結(jié)構(gòu)的耐撞性。我們?yōu)?/SPAN>ABAQUS軟件所開(kāi)發(fā)的一種最有用的耐撞性模擬工具就是一種可用來(lái)模擬點(diǎn)焊的獨(dú)立網(wǎng)格的緊固件。

通過(guò)與客戶的多年合作，ABAQUS軟件中所用的緊固件技術(shù)已經(jīng)日趨完善。緊固件是有效進(jìn)行一維運(yùn)算的理想工具，它可以模擬兩個(gè)或兩個(gè)以上表面間的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”連接行為。通常，一個(gè)連結(jié)兩個(gè)表面的緊固件是由一個(gè)連接器元件加上兩個(gè)用于區(qū)分連接面的固定件（分布式聯(lián)接器）組成。工程師們可以充分利用這些連接元件所具有的大量運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性，從而組裝出任何自己能想到的各類(lèi)緊固件?？勺冃蔚狞c(diǎn)焊通常用一個(gè)套管式連接來(lái)模擬，以此來(lái)表現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。彈性或鋼塑性的受損程度都可以說(shuō)明結(jié)構(gòu)上的變化情況。

緊固件之所以能獨(dú)立于網(wǎng)格，是因?yàn)榉植际铰?lián)接器能“跨越”FE網(wǎng)格的區(qū)域界限進(jìn)行聯(lián)接。（參見(jiàn)圖2a及2b）。按照慣例，每個(gè)緊固件都用一個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)位置加以區(qū)分，因此，只要該模型被重新劃分網(wǎng)格，所有的點(diǎn)焊位置都將被重新確定。獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件有助于提高建模效率，為許多行業(yè)的工程師們節(jié)約了大量時(shí)間。比如說(shuō)，在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中，獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件還被用于模擬鉚釘。

展望未來(lái)，汽車(chē)生產(chǎn)商正在研究使用結(jié)構(gòu)膠來(lái)連結(jié)部件的益處。粘合接頭可提供的強(qiáng)度要強(qiáng)于點(diǎn)焊接頭，且更易于噪音控制。為了模擬結(jié)構(gòu)膠在汽車(chē)碰撞過(guò)程中的性能如何，工程師們可以利用ABAQUS軟件中一項(xiàng)被稱(chēng)為粘結(jié)元件的功能，它能夠模擬部件粘結(jié)處那些粘結(jié)接頭的變形和破壞情況。ABAQUS同時(shí)也支持汽車(chē)組件的創(chuàng)新應(yīng)用，目前正在評(píng)估一些用于碰撞分析的組合破壞模型。

乘客安全

為了預(yù)測(cè)碰撞過(guò)程中車(chē)內(nèi)乘客所面臨的情況，工程分析學(xué)家對(duì)人體模型與汽車(chē)座位、座椅安全帶控制系統(tǒng)以及輔助安全氣囊在碰撞時(shí)所產(chǎn)生的相互影響作用進(jìn)行了模擬。在ABAQUS軟件中，座椅安全帶控制系統(tǒng)是用一系列特殊的連接器元件來(lái)模擬的。這些元件是表示座椅安全帶控制系統(tǒng)中各個(gè)連接點(diǎn)具體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的理想一維模型。有一種特殊的滑輪式連接器叫做滑環(huán)。

這種滑環(huán)連接器元件允許線條或電纜改變其行進(jìn)方向，就好像是在繞著一個(gè)滑輪移動(dòng)?；h(huán)模擬了碰撞過(guò)程中座椅安全帶的狀態(tài)，即受人體模型移動(dòng)時(shí)的作用力影響，安全帶會(huì)沿著固定裝置滑動(dòng)和拉長(zhǎng)。如圖3所示，從B柱內(nèi)牽引裝置的安全帶軸開(kāi)始，座椅安全帶模型共使用了六個(gè)滑環(huán)元件。安全帶牽引裝置和預(yù)加拉力器分別用不同的連接器表示。

滑環(huán)連接器也已運(yùn)用于汽車(chē)行業(yè)以外的其他領(lǐng)域，諸如土木工程和近海工程等，這些領(lǐng)域中可以用它們來(lái)模擬電纜系統(tǒng)。

在ABAQUS 軟件中，安全氣囊輔助控制器的建?；诒砻媪黧w腔概念。安全氣囊的表面結(jié)構(gòu)用一些有規(guī)律的有限元素來(lái)表示，但是氣囊里面的流體卻并未采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不同的是，氣體是由增壓泵產(chǎn)生的恒定氣壓來(lái)確定的，并且瞬間就能貫穿整個(gè)安全氣囊。隨著模擬過(guò)程所取得的不斷進(jìn)展，充液結(jié)構(gòu)體的變形又可與氣囊邊界所含液體產(chǎn)生的壓力聯(lián)系起來(lái)。表面流體腔還可以運(yùn)用于制造業(yè)中的吹塑工藝建模。

與很多有限元分析模型一樣，安全氣囊模型也是通過(guò)模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較來(lái)獲得驗(yàn)證的。安全氣囊生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品后要進(jìn)行物理測(cè)試，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行估量。于是就構(gòu)想出了一個(gè)模型來(lái)模擬該物理試驗(yàn)。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果越吻合，生產(chǎn)商就越有信心用模型來(lái)預(yù)測(cè)安全氣囊的設(shè)計(jì)性能。

圖4顯示了一個(gè)打開(kāi)后的側(cè)面窗簾式安全氣囊的模擬碰撞試驗(yàn)結(jié)果。在本次模擬中，安全氣囊被分解成18個(gè)部分，以便于估算氣體分布的不均勻程度以及氣囊展開(kāi)時(shí)所觀察到的氣壓梯度。每個(gè)部分均用一個(gè)表面流體腔來(lái)模擬。安全氣囊的表層用膜元來(lái)表示，并結(jié)合使用一種ABAQUS軟件中特有的纖維物模型。碰撞器被模擬成一個(gè)總質(zhì)量達(dá)7.2kg的剛體，并以4,500毫米/秒的初速度撞向正在打開(kāi)的安全氣囊。模擬結(jié)果與物理測(cè)試表現(xiàn)出驚人的相似。

計(jì)算性能

為了更好地支持碰撞建模以及其他復(fù)雜程度相當(dāng)?shù)哪M，ABAQUS軟件已通過(guò)域分解法提升了其并行計(jì)算速度。其原理就是將模擬模型分成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的域，然后在不同的CPU上運(yùn)行每個(gè)域。域與域的連接處設(shè)有一個(gè)信息交換元件，以確保計(jì)算順序的一致性。該模型最理想的分解方式是使每個(gè)CPU所執(zhí)行的任務(wù)量大致相等（參見(jiàn)圖5）。

在碰撞模擬中，涉及大量軸向彎曲行為，區(qū)域之間信息交換順序上極其微小的差異都會(huì)導(dǎo)致同一模型在使用不同數(shù)目的域時(shí)，產(chǎn)生明顯不一致的運(yùn)算結(jié)果。我們的并行計(jì)算方式采取了額外的步驟把這些影響減到最小，并提供可再現(xiàn)的結(jié)果。通過(guò)結(jié)果的可再現(xiàn)性可以確信模擬的精確性。

（轉(zhuǎn)載）