为理想的汽车碰撞系统开发仿真代码

缩小虚拟模型和实体碰撞模拟系统之间的差距,帮助汽车行业拯救生命


根据 Safer America 统计数据,全世界每年约有 130 万人死于车祸 — 平均每天 3,287 起亡人事故。降低事故伤亡率和相关的经济损失是政府安全机构和全球汽车行业(包括汽车制造商以及零部件和安全设备提供商的生态系统)的第一要务。

汽车制造商及其供应商在虚拟和实体物理测试方面进行大量投资,以期加强乘员保护并减少伤害。物理测试的目的是在实验室环境中再现相同的碰撞动态效果,通过传感器、相机和计算机来设计和测量每一个力、撞击、响应和毫秒级的时间。

很多美国人开始见识到碰撞试验仿真的世界是通过 1985 年的“Vince 和 Larry”假人撞击试验,他们是美国交通运输部划时代的“You Could Learn a Lot from a Dummy”(您能从假人身上学到很多)广告宣传活动的两个明星。部分归功于这一对帅气的碰撞假人,安全带的使用率从 14% 提高到 79%,拯救了约 85,000 条生命,节省了 32 亿美元(来源:Ad Council[美国公益广告协会])。

但是,这些整车正面碰撞试验需要使用手工打造的原型,运作十分昂贵,每个实例通常超过 100 万美元。对于制造商来说,如果想通过产品设计来减少伤害,必须优化从车体变形到气囊展开时间和作用力等一切因素。

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由于车辆结构的设计限制,大多数减少乘员伤害的重担都落到“被动安全系统”上,这包括气囊、安全带和其他组件。在这些组件的共同作用下,以每小时 30 英里的速度对乘员撞击的总减速力可以从 12 吨减小到 1.6 吨。由于要研究许多种乘员和碰撞情形,开发人员需要一种经济高效的方法,在运行物理碰撞试验之前在实验室中仿真碰撞动态效果。

实现这些速度和成本效益不仅依赖于实体碰撞模拟系统的性能,而且依赖于其背后的虚拟模型 — 换句话说,依赖于仿真器的仿真。

仿真器仿真

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这正是全球试验设备制造商 Instron 凭借其领先的碰撞仿真系统已经接受并战胜的挑战。该系统现已部署到全世界超过 75 个地点。Instron 使用强大的软件、基于滑道的“弹射器”系统和由 2.75 兆牛顿 (MN) 力驱动的精确控制的液压执行器,在碰撞过程中对所测试的乘员舱原型施加作用力。这种方法使 Instron 的客户能比以前更加灵活、精确和经济高效地运行所需的测试。

实现这三重好处不仅要依赖于实体碰撞模拟系统的性能,而且依赖于其背后的虚拟模型 — 换句话说,依赖于仿真器的仿真。

“对于我们的物理系统测试的每一种力、速度和碰撞类型组合,我们先在模型中仿真结果。”Instron 工程部经理 Brad Carman 说,“模型现在非常精确,足以取代以前为了准备系统而做的实际工作,消除了测试过程中的时间和风险,最终将产生更好的结果。”

您可以从仿真中学到很多

当 Carman 于 2013 年加入 Instron 时,他这么做只有一个原因:碰撞仿真系统 Hydropuls® CSAadvanced。

“当我第一眼看到弹射式碰撞仿真器运作时,就非常感兴趣。”他说,“我知道我想全力以赴地研究和改进这个系统。”

碰撞仿真是一门精密科学。制造商和监管机构使用该系统的许多参数来测试产品,包括特定的速度和冲击角度。仿真可以改进产品设计,最终提高产品在发生危及生命的碰撞这种最紧要关头的性能和可靠性。控制这些参数,做到能够实现和重复物理仿真,使之每次都发出同样的力,对于验证结果至关重要。

Carman 知道性能的关键在于更好的建模:“我知道,如果我们能更精确地对仿真建模,就能为我们的客户带来更好的结果,最大限度地发挥实验室效率和他们所收集数据的作用。”

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“我知道,如果我们能更精确地对仿真建模,就能为我们的客户带来更好的结果,最大限度地发挥他们所收集数据的作用。”

Instron 的工程部经理 Brad Carman

提高模型精确度

为了让 Instron 的模型精益求精,Carman 通过尽可能多地消除假设,着手提高仿真的精确度。在一年的时间里,他向系统中引入 170 个变量,考虑弹射式仿真器工作过程中的各种压力、流量和各个部件的性能,而以前没有考虑过这些变量或只是假定为常量。

“模型最初完全使用 MATLAB® 构建,先是编写方程式和求解器代码,然后使用 MATLAB Coder™ 集成到我们的软件。”Carman 说,“实践证明该项目是成功的,系统的性能几乎翻倍。客户不仅能从同一实体系统获得更好的性能,而且能更快地获得结果,因为通过精确仿真可以免去一些费时的步骤。”

后来,有人要求 Carman 优化系统的实体设计。由于手里有经过验证的模型,现在他可以使用该模型对系统的实体变更进行仿真。然而问题在于,该模型不是为灵活性而搭建;硬编码的方程式自身不容易进行系统性的设计变更。Carman 就在这个时候转向 Simscape™。“因为 Simscape 的工作方式有点像乐高积木,所以我们能比较轻松地做出系统级更改。现在,我能四处移动模型的组件,甚至添加新组件,Simscape 瞬间就能为我重新组装整个模型。”

“如果没有 Simscape,这个过程会变得痛苦而缓慢。”

最初,Carman 不确定如何从第一次模型迭代集成很多自定义建模功能,例如如何能从单一来源自动创建子模型和模型反演。Carman 还动了点脑筋,得以通过自己构建的一个自定义工具(准确来说称为“Bradscape”)在 Simscape 中实现这些功能。

“Simscape 本质上是一种美丽的语言。”Carman 说,“因为它实质上是以文本文件的形式存在,所以对于您能创造和控制什么内容没有限制。”

最后,不仅新的最优设计得到验证,而且所有原来使用的模型都会被替换,并使用 Simulink Coder 轻松集成到软件中。

推动虚拟和现实的结果

虽然建模的简易性很重要,但结果对 Carman 和 Instron 最为关键。随着他们对仿真的建模能力不断提高,他们正在缩小虚拟仿真运行与实体模拟系统运行之间的差距。

“由于我们与 MathWorks 的合作伙伴关系,现在我们有一个碰撞仿真器的实时模型,运行速度和精确度令人难以置信,使得我们的客户能够在运行十分昂贵的物理碰撞仿真之前虚拟测试他们的假设。”Carman 说,“这可以为他们节省时间和金钱,让他们能更快地将救命产品推向市场

“由于我们与 MathWorks 的合作伙伴关系,现在我们有一个碰撞仿真器的实时模型,运行速度和精确度令人难以置信,使得我们的客户能够在运行十分昂贵的物理碰撞仿真之前虚拟测试他们的假设。”

Instron 的工程部经理 Brad Carman 说

“而且,现在我们运行模型的速度(快得接近于实时)在模型与系统之间形成了一种融合,可以为我们的客户带来阶跃式的性能改进。”