根據(jù) Safer America 統(tǒng)計(jì)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(jì)損失是政府安全機(jī)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?jiǎng)?wù)。

汽車制造商及其供應(yīng)商在虛擬和實(shí)體物理測(cè)試方面進(jìn)行大量投資，以期加強(qiáng)乘員保護(hù)并減少傷害。物理測(cè)試的目的是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中再現(xiàn)相同的碰撞動(dòng)態(tài)效果，通過傳感器、相機(jī)和計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)和測(cè)量每一個(gè)力、撞擊、響應(yīng)和毫秒級(jí)的時(shí)間。

很多美國(guó)人開始見識(shí)到碰撞試驗(yàn)仿真的世界是通過 1985 年的“Vince 和 Larry”假人撞擊試驗(yàn)，他們是美國(guó)交通運(yùn)輸部劃時(shí)代的“You Could Learn a Lot from a Dummy”（您能從假人身上學(xué)到很多）廣告宣傳活動(dòng)的兩個(gè)明星。部分歸功于這一對(duì)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(guó)公益廣告協(xié)會(huì)]）。

但是，這些整車正面碰撞試驗(yàn)需要使用手工打造的原型，運(yùn)作十分昂貴，每個(gè)實(shí)例通常超過 100 萬美元。對(duì)于制造商來說，如果想通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)來減少傷害，必須優(yōu)化從車體變形到氣囊展開時(shí)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(jì)限制，大多數(shù)減少乘員傷害的重?fù)?dān)都落到“被動(dòng)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(shí) 30 英里的速度對(duì)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(jì)高效的方法，在運(yùn)行物理碰撞試驗(yàn)之前在實(shí)驗(yàn)室中仿真碰撞動(dòng)態(tài)效果。

實(shí)現(xiàn)這些速度和成本效益不僅依賴于實(shí)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(yàn)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(gè)地點(diǎn)。Instron 使用強(qiáng)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(dòng)的精確控制的液壓執(zhí)行器，在碰撞過程中對(duì)所測(cè)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(jì)高效地運(yùn)行所需的測(cè)試。

實(shí)現(xiàn)這三重好處不僅要依賴于實(shí)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(duì)于我們的物理系統(tǒng)測(cè)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(zhǔn)備系統(tǒng)而做的實(shí)際工作，消除了測(cè)試過程中的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，最終將產(chǎn)生更好的結(jié)果。”

您可以從仿真中學(xué)到很多

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

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

碰撞仿真是一門精密科學(xué)。制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)使用該系統(tǒng)的許多參數(shù)來測(cè)試產(chǎn)品，包括特定的速度和沖擊角度。仿真可以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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。控制這些參數(shù)，做到能夠?qū)崿F(xiàn)和重復(fù)物理仿真，使之每次都發(fā)出同樣的力，對(duì)于驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)間里，他向系統(tǒng)中引入 170 個(gè)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(gè)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(shí)踐證明該項(xiàng)目是成功的，系統(tǒng)的性能幾乎翻倍?？蛻舨粌H能從同一實(shí)體系統(tǒng)獲得更好的性能，而且能更快地獲得結(jié)果，因?yàn)橥ㄟ^精確仿真可以免去一些費(fèi)時(shí)的步驟。”

后來，有人要求 Carman 優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)體設(shè)計(jì)。由于手里有經(jīng)過驗(yàn)證的模型，現(xiàn)在他可以使用該模型對(duì)系統(tǒng)的實(shí)體變更進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)變更。Carman 就在這個(gè)時(shí)候轉(zhuǎn)向 Simscape™。“因?yàn)?Simscape 的工作方式有點(diǎn)像樂高積木，所以我們能比較輕松地做出系統(tǒng)級(jí)更改?，F(xiàn)在，我能四處移動(dòng)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(gè)模型。”

“如果沒有 Simscape，這個(gè)過程會(huì)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(dòng)創(chuàng)建子模型和模型反演。Carman 還動(dòng)了點(diǎn)腦筋，得以通過自己構(gòu)建的一個(gè)自定義工具（準(zhǔn)確來說稱為“Bradscape”）在 Simscape 中實(shí)現(xiàn)這些功能。

“Simscape 本質(zhì)上是一種美麗的語言。”Carman 說，“因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是以文本文件的形式存在，所以對(duì)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(jì)得到驗(yàn)證，而且所有原來使用的模型都會(huì)被替換，并使用 Simulink Coder 輕松集成到軟件中。

推動(dòng)虛擬和現(xiàn)實(shí)的結(jié)果

雖然建模的簡(jiǎn)易性很重要，但結(jié)果對(duì) Carman 和 Instron 最為關(guān)鍵。隨著他們對(duì)仿真的建模能力不斷提高，他們正在縮小虛擬仿真運(yùn)行與實(shí)體模擬系統(tǒng)運(yùn)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(gè)碰撞仿真器的實(shí)時(shí)模型，運(yùn)行速度和精確度令人難以置信，使得我們的客戶能夠在運(yùn)行十分昂貴的物理碰撞仿真之前虛擬測(cè)試他們的假設(shè)。”Carman 說，“這可以為他們節(jié)省時(shí)間和金錢，讓他們能更快地將救命產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

“由于我們與 MathWorks 的合作伙伴關(guān)系，現(xiàn)在我們有一個(gè)碰撞仿真器的實(shí)時(shí)模型，運(yùn)行速度和精確度令人難以置信，使得我們的客戶能夠在運(yùn)行十分昂貴的物理碰撞仿真之前虛擬測(cè)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(yùn)行模型的速度（快得接近于實(shí)時(shí)）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(jìn)。”