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《汽车被动安全性设计驶入 “零物理样机”之路》

挑 战:

• 今天的汽车制造商为了应对消费者的需求面临着 前所未有的压力，包括:既要满足并超越不断变化 的耐碰撞性标准，又要满足更高的燃油经济性能 标准和复杂的新型材料需求。如何应对这些挑战 将会直接影响他们的底线。

解决方案:

• 在与SIMULIA公司紧密合作将近十年期间，宝马 集团的研发团队基于Abaqus 有限元分析软件开 发出一个仿真分析流程，这个仿真分析流程使得 宝马距离汽车被动安全性设计零物理样机的既定 企业目标更进一步。

优 势:

• 这种以仿真驱动设计为主导的战略显著节省了成 本和缩短了产品开发时间。现在该工程团队已经 对碰撞情况下车辆局部和整体行为有一个全面的 认识，并且他们对仿真的精确度充满了信心。此次 推出的BMW 6系四门轿跑车，标志着第一个实现 了零物理样机的汽车被动安全性平台的诞生。

对汽车制造商来说，汽车安全标准成为了一个不断前进 的目标。因为不管是现在还是将来，汽车的安全要求都 会越来越严格，汽车制造商必须始终领先一步进行相应 设计和生产。于是，最新的车型是最安全的，并且高速公 路死亡率处在历史最低。

很显然，对于制造商来说同时满足甚至超出安全要求是 首要任务，近来，提高汽车安全性的迫切动力恰好是导 致OEM经济压力的一个来源因素。在不影响汽车耐撞性 的前提下，消费者对于更广泛的车型和不同性能特点的 需求、降低车重以满足更严格的燃油经济性要求以及更 先进材料开发的需求，所有这些都要纳入车辆设计工作 中。对汽车制造商来说，在满足上述条件的同时，保证成 本竞争力然后继续吸引热情的顾客是眼下的优先要务。

从研发部门到工厂车间、然后再到碰撞试验室，最后到汽 车展厅，仿真软件这一工具正在步步为赢地证明其价值。 早期采用者如今已经在企业内部培养出了自主工程实力， 结合计算机仿真技术的进步，已经取得了非常积极的成果。

早在多年前，汽车行业思想领袖们就意识到汽车开发面 临着多重挑战，满足不断更新的安全标准进一步放大了 难题，只能通过提高设计仿真的水平，帮助找到一条最 有创意、最稳健和性价比最高的产品开发途径，从而成 功应对挑战。这催生了一个雄心勃勃的长远目标:

着眼全局，同时关注局部

耐撞性的准确预测依赖于在撞击事件中可能会影响 车辆性能的所有现象的仿真。这包括车身和底盘的 整体扭曲，以及如钣金这种材料的局部失效机制和 包括点焊与粘合剂的内部连接技术。针对这些局部 失效机制开发并部署精确的仿真功能，一直是宝马 集团取得零物理样机成就的关键因素。

该图对比了较早期的(绿线)建模技术和新的(红线) 建模技术，显示了在一个正面侧位碰撞测试中壁障侵 入乘客座舱的仿真结果的差异。

不包含局部失效机制的虚拟车辆模型预测的壁障侵 入结果比包括所有重要的局部失效机制的更完整的 模型壁障侵入仿真时高出30%。换言之，不完整的模 型导致了非保守的预测，仿真显示的乘客座舱侵入情 况会比实际上发生的轻微。更新、更完善的仿真方法 是目前所有碰撞仿真采用的标准做法。

Abaqus FEA中的正面侧位碰撞仿真(上图)和相 应的壁障侵入(采用局部失效机制与不采用)仿真 结 果(下 图)

证实并利用仿真的预测能力可以在车型被动安全设计中 实现零物理样机。

物理样机的局限

虽然仿真软件已用于车辆被动安全设计多年，但是物理 样机仍普遍用于汽车研发项目过程中。 这些原型样车制造成本和碰撞试验成本昂贵且耗时，主 要是由于它们需要采用软原型模具和手工制作。

这种类型的硬件打样也存在着其他局限，这都会阻碍 或影响测试结果:这种方式不可能用于测试所有的载 荷工况，而且测试结果并非完全适用于整条生产线制 造的车辆，因为这些样车只是批量生产车辆的手工装 配版本。

一个雄心勃勃的目标:通过仿真减少物理样机

高级汽车制造商宝马集团和Abaqus FEA软件套件的供 应商达索系统SIMULIA已合作十余年之久，通过仿真被 动安全设计实现产品开发推进。汽车制造商采用CATIA V5(也来自达索系统)用于计算机辅助设计 (CAD) 。尽 管早期仿真已经精确地展示了碰撞时车辆的整体行为， 但该团队认为详细的局部材料行为和连接处的行为可能 导致损伤或失效(见下文边栏)，这也应需纳入考虑范围。 例如，为了准确地预测在相应负载情况下车辆的被动安 全性能，在侧碰撞试验中，准确仿真钣金和B柱点焊的潜 在局部损伤将非常关键。

这种预测水平在实现切实的虚拟设计迭代中起着至关重 要的作用，因为很多重要的设计决策会基于逼真的仿真 结果开展。

作为虚拟仿真技术的合作伙伴，SIMULIA专家与宝马集 团的工程师密切合作，实施并测试了Abaqus的新功能， 当然，这通常是处于应对汽车制造商的具体要求。通过 仿真结果和实际的测试数据之间日益密切的相关性，新 功能得到了验证。

于是，BMW 6系四门轿跑车被选为宝马集团首个应用 零物理样机方法开发的车型。

从设计直接到硬模生产

在BMW 6系四门轿跑车开发过程中进行了数次虚拟被动 安全设计迭代，采用积累的仿真结果开展后续设计修改。 对最终设计进行了预测以满足所有的被动安全性能指标。

对这一最终设计的极大信心使得团队不必开展物理样机流 程所常用的软模具环节，让宝马集团直接利用硬模具启动 批量生产。早期批量生产的车辆物理碰撞测试结果与仿真 预测相当匹配，BMW 6系Gran Coupé轿跑车随即发布。

图1.B柱侵入实验中材料失效行为的Abaqus仿真。该 试验是刻意进行完全失效，因此相应受力高于通常发生 在碰撞事件中的作用力。预测的裂纹萌生和传播与测试 数据高度一致，验证了在生产设计环节部署仿真分析方 法的有效性。 凭借逼真的SIMULIA仿真技术，在汽车项目生产前期 通过在整体设计模型中实现如此精确的局部仿真预测 避免了后续的问题，从而提升了汽车设计开发效率。否则 后续流程中昂贵的修正变更会影响汽车的发布日程。

图2.在碰撞试验仿真中，对潜在的钣金失效建模是在宝 马集团的标准做法。左图显示了这一做法涉及的主体组 件。前期汽车成形工艺的影响，例如冲压可能对材料失 效情况产生影响，而右图显示了前期汽车成型工艺对汽 车影响的模拟结果被映射到其碰撞模型对应部分的组件 上的情况。

图3.从碰撞安全性角度看，侧向冲击载荷的情况往往是 最困难的。上图实际BMW 6系Gran轿跑车在两个标准 的侧面碰撞试验的结果:IIHS与移动变形壁障(左)的 侧面碰撞;与FMVSS 214侧柱碰撞(右)。对于每一个 实验，相应的设计模拟结果也显示准确预测了其被动安 全性能，从而导致了零物理样机的成功。

旅程继续

SIMULIA仿真技术的高水准预测能力让工程师更好地 理解怎样改进和优化未来的汽车设计。随着汽车平台朝 着复杂材料结构的方向不断演进展，仿真将成为设计师 和工程师一个有用的工具。SIMULIA将继续与宝马集 团密切合作，以确保被动安全仿真能力在Abaqus中不 断得到增强，以适应新的平台和不断发展的更严格的安 全要求。

当然，现实世界中的碰撞测试始终是评估仿真最终价值 的决定性证据。虽然规划和遵循零样机之路需要时间和 付出，但是准确和强大的仿真功能可以而且应当发挥核 心作用，来确保汽车制造商在整个产品的发展历程中达 到新的被动安全性发展的里程碑。