在要求严苛的汽车工程领域，确保车辆安全至关重要。物理碰撞测试虽然对于最终验证必不可少，但过程耗时且成本极高。正是在这种情况下，由 Dassault Systèmes 开发的先进仿真软件 Abaqus 变得不可或缺。Abaqus 是一款强大的有限元分析 (FEA) 工具，它允许工程师对汽车碰撞的复杂动态进行虚拟仿真和分析，从而极大地减少了对物理原型的需求，并加速了更安全汽车的开发周期。

Abaqus 的多功能性涵盖了众多工程学科，但其在汽车碰撞安全分析中的应用尤为重要。通过建立详细的车辆有限元模型，工程师可以仿真各种碰撞场景——包括正面、侧面和翻滚碰撞——以便在制造物理原型之前准确预测结构行为、评估能量吸收，并评估乘员约束系统的有效性。

Abaqus 在这一关键应用中的优势源于其几项核心能力：

· 显式动力学： 碰撞事件是高速、短时且高度非线性的。Abaqus/Explicit 专门设计用于高效求解这类动力学问题，使其成为仿真碰撞过程中发生的快速变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优势之一。正如行业领导者所示，实现与物理测试结果超过 95% 的关联度是可以达到的。这种高保真度直接转化为物理碰撞测试的大幅减少（高达 60% 的减少）和开发时间的显著缩短（高达 40% 的减少）。

· 多物理场耦合： 现代车辆安全不仅涉及结构完整性。Abaqus 可以耦合不同的物理场，从而实现对复杂相互作用的真实仿真，例如安全气囊展开过程中的热-机械响应，或碰撞过程中轮胎与水相互作用的水动力滑行场景。

· 并行计算： 整车碰撞模型非常庞大，通常包含数百万个单元。Abaqus 设计用于利用高性能计算 (HPC) 集群，实现高效并行处理，从而在实际可行的时限内处理这些大规模仿真。

使用 Abaqus 进行虚拟碰撞测试的典型工作流程包括几个关键阶段：

使用 Abaqus 进行碰撞测试工作流程

使用 Abaqus 从车辆概念到具有碰撞安全性的设计，需要经历几个关键步骤：

1. 有限元模型建立： 第一步是建立车辆的高保真三维有限元模型。这涉及将车身、底盘和内部组件的复杂几何形状离散化为相互连接的单元网格。准确表示车辆结构至关重要。

图1 汽车碰撞有限元模型

2. 材料属性定义： 为模型的各个部分分配正确的材料属性对于获得准确的仿真结果至关重要。Abaqus 拥有丰富的材料模型库，能够仿真汽车材料的复杂行为，例如金属在高应变率下的行为（使用塑性模型）、复合材料、塑料、泡沫以及橡胶部件的超弹性行为。

图2 汽车部件对应的不同材料模型

3. 碰撞场景设置： 此阶段涉及定义仿真的初始条件和边界条件，以模拟特定的碰撞测试。这包括设置车辆的初始速度和轨迹，定义不同部件之间的接触界面，并根据法规标准建模具有适当刚度和摩擦属性的障碍物或杆（例如，50 公里/小时正面刚性壁障，侧面撞击杆）。

4. 仿真分析： 定义好模型和场景后，使用 Abaqus 中的显式动力学求解器运行仿真。该软件计算车辆在整个碰撞过程中的动态响应，捕捉结构变形、能量吸收和载荷传递的复杂过程。

5. 结果分析与优化： 仿真完成后，工程师分析生成的大量数据。这包括可视化变形模式，检查应力应变分布，计算关键部件和虚拟乘员（使用经过验证的假人模型）上的加速度和力，以及评估能量吸收机制。此分析突出显示了设计中需要改进的区域，从而进行迭代设计更改和进一步仿真，直到满足安全目标。

图3 汽车碰撞仿真结果

降低碰撞测试成本的策略

除了简单地用虚拟测试取代物理测试外，汽车制造商还在利用 Abaqus 实施先进策略，以大幅降低碰撞测试成本：

1. 虚拟测试平台： 降低成本的基础是建立成熟的虚拟测试平台。通过将仿真结果与数量有限的物理测试结果进行持续验证，工程师可以增强对其虚拟模型的信心，从而使他们能够更大幅度地依赖仿真进行设计迭代。这直接导致了物理测试和开发时间的减少。

图4 汽车碰撞结果比对

并行计算优化： 高性能计算是一项重大投资。通过动态负载均衡、混合 MPI/OpenMP 并行化以及利用 GPU 加速特定计算（如接触算法）来优化其使用，可确保仿真尽可能高效运行，从而降低每次仿真的计算时间和成本。

图5 计算机集群配置

2. 模型和参数优化： 对模型细节和仿真参数进行更精细的控制可以产生更好的结果和效率。这包括智能网格细化——仅在高度变形和应力的关键区域使用更精细的网格——以及使用实验数据（如拉伸测试、高速碰撞测试）仔细校准材料模型。精确的接触和摩擦设置以及表示碰撞壁障和地面接触的真实边界条件对于获得可靠的仿真结果至关重要。监测求解器中的能量比有助于确保仿真的稳定性和可靠性。

3. 硬件架构优化： Abaqus 的性能在很大程度上取决于底层硬件。投资于针对 FEA 优化的硬件架构，包括配备高性能 CPU 和 GPU 的计算节点、快速且可扩展的存储解决方案（如 GPFS）以及低延迟网络（如 InfiniBand），可以显著缩短仿真周期，并提高整个仿真过程的成本效益。提到特定硬件配置可将速度提高 3.8 倍的案例研究突显了这一点。

多场景并行仿真： 现代开发通常需要同时测试设计的多个变体或仿真各种碰撞条件。Abaqus 在 HPC 集群上并行运行多个独立仿真的能力最大化了硬件利用率，并显著缩短了整体设计优化周期。

凯思案例研

Abaqus 在汽车行业的实际应用展示了其变革性的力量：

· 一家汽车零部件制造商通过建立基于 Abaqus 的虚拟测试平台，实现了超过 95% 的仿真精度，从而显著提高了效率，将物理测试减少了 60%，并将研发时间缩短了 40%。

· 一家新能源汽车原始设备制造商 (OEM) 利用基于仿真的数字孪生，将碰撞安全迭代周期加快了五倍，节省了巨额成本（某案例中引用超过 2.3 亿人民币）。

· 公司通常使用并行碰撞仿真在 HPC 集群上同时运行多个场景，优化资源利用并加快设计验证。

· 硬件优化，包括 CPU+GPU 混合调度，使得某公司通过提高仿真吞吐量，仅在 11 个月内就实现了硬件投资回报。

碰撞测试成本降低 50% 以上的途径

通过战略性地结合高精度虚拟测试平台的力量，优化并行计算资源，精细化模型和参数，投资于高效硬件，并执行多场景并行仿真，汽车制造商可以切实地将其碰撞测试成本降低 50% 以上。

结论

Abaqus 彻底改变了汽车碰撞测试。它已从一个利基的仿真工具发展成为车辆开发过程的核心支柱，使工程师能够以虚拟、高效且经济的方式进行安全设计。通过采用先进的仿真策略，汽车制造商不仅可以实现显著的成本降低，还可以更快地将更安全的车辆推向市场。随着仿真技术与人工智能和大数据的不断融合，Abaqus 为汽车行业带来的能力和价值将持续增长。