根據(jù) Safer America 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全世界每年約有 130 萬人死于車禍 — 平均每天 3,287 起亡人事故。降低事故傷亡率和相關(guān)的經(jīng)濟損失是政府安全機構(gòu)和全球汽車行業(yè)（包括汽車制造商以及零部件和安全設(shè)備提供商的生態(tài)系統(tǒng)）的第一要務(wù)。

汽車制造商及其供應(yīng)商在虛擬和實體物理測試方面進行大量投資，以期加強乘員保護并減少傷害。物理測試的目的是在實驗室環(huán)境中再現(xiàn)相同的碰撞動態(tài)效果，通過傳感器、相機和計算機來設(shè)計和測量每一個力、撞擊、響應(yīng)和毫秒級的時間。

很多美國人開始見識到碰撞試驗仿真的世界是通過 1985 年的“Vince 和 Larry”假人撞擊試驗，他們是美國交通運輸部劃時代的“You Could Learn a Lot from a Dummy”（您能從假人身上學到很多）廣告宣傳活動的兩個明星。部分歸功于這一對帥氣的碰撞假人，安全帶的使用率從 14% 提高到 79%，拯救了約 85,000 條生命，節(jié)省了 32 億美元（來源：Ad Council[美國公益廣告協(xié)會]）。

但是，這些整車正面碰撞試驗需要使用手工打造的原型，運作十分昂貴，每個實例通常超過 100 萬美元。對于制造商來說，如果想通過產(chǎn)品設(shè)計來減少傷害，必須優(yōu)化從車體變形到氣囊展開時間和作用力等一切因素。


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由于車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計限制，大多數(shù)減少乘員傷害的重擔都落到“被動安全系統(tǒng)”上，這包括氣囊、安全帶和其他組件。在這些組件的共同作用下，以每小時 30 英里的速度對乘員撞擊的總減速力可以從 12 噸減小到 1.6 噸。由于要研究許多種乘員和碰撞情形，開發(fā)人員需要一種經(jīng)濟高效的方法，在運行物理碰撞試驗之前在實驗室中仿真碰撞動態(tài)效果。

實現(xiàn)這些速度和成本效益不僅依賴于實體碰撞模擬系統(tǒng)的性能，而且依賴于其背后的虛擬模型 — 換句話說，依賴于仿真器的仿真。

仿真器仿真


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這正是全球試驗設(shè)備制造商 Instron 憑借其領(lǐng)先的碰撞仿真系統(tǒng)已經(jīng)接受并戰(zhàn)勝的挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)現(xiàn)已部署到全世界超過 75 個地點。Instron 使用強大的軟件、基于滑道的“彈射器”系統(tǒng)和由 2.75 兆牛頓 (MN) 力驅(qū)動的精確控制的液壓執(zhí)行器，在碰撞過程中對所測試的乘員艙原型施加作用力。這種方法使 Instron 的客戶能比以前更加靈活、精確和經(jīng)濟高效地運行所需的測試。

實現(xiàn)這三重好處不僅要依賴于實體碰撞模擬系統(tǒng)的性能，而且依賴于其背后的虛擬模型 — 換句話說，依賴于仿真器的仿真。

“對于我們的物理系統(tǒng)測試的每一種力、速度和碰撞類型組合，我們先在模型中仿真結(jié)果。”Instron 工程部經(jīng)理 Brad Carman 說，“模型現(xiàn)在非常精確，足以取代以前為了準備系統(tǒng)而做的實際工作，消除了測試過程中的時間和風險，最終將產(chǎn)生更好的結(jié)果。”

您可以從仿真中學到很多

當 Carman 于 2013 年加入 Instron 時，他這么做只有一個原因：碰撞仿真系統(tǒng) Hydropuls® CSAadvanced。

“當我第一眼看到彈射式碰撞仿真器運作時，就非常感興趣。”他說，“我知道我想全力以赴地研究和改進這個系統(tǒng)。”

碰撞仿真是一門精密科學。制造商和監(jiān)管機構(gòu)使用該系統(tǒng)的許多參數(shù)來測試產(chǎn)品，包括特定的速度和沖擊角度。仿真可以改進產(chǎn)品設(shè)計，最終提高產(chǎn)品在發(fā)生危及生命的碰撞這種最緊要關(guān)頭的性能和可靠性?？刂七@些參數(shù)，做到能夠?qū)崿F(xiàn)和重復物理仿真，使之每次都發(fā)出同樣的力，對于驗證結(jié)果至關(guān)重要。

Carman 知道性能的關(guān)鍵在于更好的建模：“我知道，如果我們能更精確地對仿真建模，就能為我們的客戶帶來更好的結(jié)果，最大限度地發(fā)揮實驗室效率和他們所收集數(shù)據(jù)的作用。”


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“我知道，如果我們能更精確地對仿真建模，就能為我們的客戶帶來更好的結(jié)果，最大限度地發(fā)揮他們所收集數(shù)據(jù)的作用。”
—— Instron 的工程部經(jīng)理 Brad Carman

提高模型精確度

為了讓 Instron 的模型精益求精，Carman 通過盡可能多地消除假設(shè)，著手提高仿真的精確度。在一年的時間里，他向系統(tǒng)中引入 170 個變量，考慮彈射式仿真器工作過程中的各種壓力、流量和各個部件的性能，而以前沒有考慮過這些變量或只是假定為常量。

“模型最初完全使用 MATLAB® 構(gòu)建，先是編寫方程式和求解器代碼，然后使用 MATLAB Coder™ 集成到我們的軟件。”Carman 說，“實踐證明該項目是成功的，系統(tǒng)的性能幾乎翻倍?？蛻舨粌H能從同一實體系統(tǒng)獲得更好的性能，而且能更快地獲得結(jié)果，因為通過精確仿真可以免去一些費時的步驟。”

后來，有人要求 Carman 優(yōu)化系統(tǒng)的實體設(shè)計。由于手里有經(jīng)過驗證的模型，現(xiàn)在他可以使用該模型對系統(tǒng)的實體變更進行仿真。然而問題在于，該模型不是為靈活性而搭建；硬編碼的方程式自身不容易進行系統(tǒng)性的設(shè)計變更。Carman 就在這個時候轉(zhuǎn)向 Simscape™。“因為 Simscape 的工作方式有點像樂高積木，所以我們能比較輕松地做出系統(tǒng)級更改?，F(xiàn)在，我能四處移動模型的組件，甚至添加新組件，Simscape 瞬間就能為我重新組裝整個模型。”

“如果沒有 Simscape，這個過程會變得痛苦而緩慢。”

最初，Carman 不確定如何從第一次模型迭代集成很多自定義建模功能，例如如何能從單一來源自動創(chuàng)建子模型和模型反演。Carman 還動了點腦筋，得以通過自己構(gòu)建的一個自定義工具（準確來說稱為“Bradscape”）在 Simscape 中實現(xiàn)這些功能。

“Simscape 本質(zhì)上是一種美麗的語言。”Carman 說，“因為它實質(zhì)上是以文本文件的形式存在，所以對于您能創(chuàng)造和控制什么內(nèi)容沒有限制。”

最后，不僅新的最優(yōu)設(shè)計得到驗證，而且所有原來使用的模型都會被替換，并使用 Simulink Coder 輕松集成到軟件中。

推動虛擬和現(xiàn)實的結(jié)果

雖然建模的簡易性很重要，但結(jié)果對 Carman 和 Instron 最為關(guān)鍵。隨著他們對仿真的建模能力不斷提高，他們正在縮小虛擬仿真運行與實體模擬系統(tǒng)運行之間的差距。

“由于我們與 MathWorks 的合作伙伴關(guān)系，現(xiàn)在我們有一個碰撞仿真器的實時模型，運行速度和精確度令人難以置信，使得我們的客戶能夠在運行十分昂貴的物理碰撞仿真之前虛擬測試他們的假設(shè)。”Carman 說，“這可以為他們節(jié)省時間和金錢，讓他們能更快地將救命產(chǎn)品推向市場。

“由于我們與 MathWorks 的合作伙伴關(guān)系，現(xiàn)在我們有一個碰撞仿真器的實時模型，運行速度和精確度令人難以置信，使得我們的客戶能夠在運行十分昂貴的物理碰撞仿真之前虛擬測試他們的假設(shè)。”
—— Instron 的工程部經(jīng)理 Brad Carman

“而且，現(xiàn)在我們運行模型的速度（快得接近于實時）在模型與系統(tǒng)之間形成了一種融合，可以為我們的客戶帶來階躍式的性能改進。”