互动科普

汽车制造商越来越依靠计算机模拟事故以开发更安全、快速与高效的汽车。

如果你生活在一个发达国家，你就很有可能每天乘坐汽车而勿需过多的去考虑危险。的确，自从本世纪80年代中期以来，有好几个因素使坐汽车旅行比较安全。自1987年以来，装上空气袋与车内其它设计的改进，使用安全带乃至驾车族愈来愈成熟等加在一起使美国公路上的死亡率降低29％。

然而驾驶汽车仍然是一种比较危险的运输方式。根据全国公路交通安全管理局(NHTSA)的资料，单是在美国1997年向警察报告的交通事故就有6764000起。这些事故致使41967人死亡将近3400000人受伤。很可悲的事实是，汽车事故是6至27岁间年轻人死亡的主要原因，除了这种无法估计的生命损失之外，还有巨大的经济损失。NHTSA在l994年估计，汽车碰撞的年度损失超过惊人的1500亿美元。

设计得比较好使其在碰撞事故中可以保护坐车的人的汽车是今天的死亡率比本世纪80年代中期死亡率低的主要原因。可是不幸的是，汽车工业中的竞争压力正在迫使大部分公司花较少的钱与时间来开发新的汽车。简而言之，在客户与政府正在要求较安全的汽车的这一时候，设计这样的汽车的预算却在减少。

许多汽车制造商从计算机技术中寻找摆脱困境的方法。这些公司愈来愈多地用高性能的计算机模拟的“虚拟”碰撞取代他们的传统的碰撞试验——在这种试验中，他们将装有仪器仪表的原型车猛烈地撞在混凝土障碍物上。过去10年来，计算机速度的增加与软件的改进使碰撞模拟改进到其结果值得很有把握地信赖的程度，由此引起的使用计算机的热潮正在使设计汽车的方法发生巨大的变化。

时间与金钱的节省给人以深刻的印象。对于传统的汽车碰撞试验，第一步是建造原型车，它一般要花4至6个月的时间和数十万美元。然后它必须装备几个碰撞试验用的假人（其中装有记录加速度的电子传感器）。每个假人可能要耗资65000美元。用包括高速摄象机在内的各种各样的仪器来记录碰撞事故。遗憾的是，玻璃或其它碎片时常部分挡住视线，并且碰撞用的假人有时会加速通过摄像机所不能覆盖的里面的区域。因此，碰撞后的录象记录给予工程师们能够用来改善其设计的有价值的东西少而又少。

另一方面，可以设计一种模拟实验，它在一台计算机上编制程序并在几天或几周内完成，主要的费用只是支付模拟工程师的工资。的确，这种计算机一般不是价值数万美元的最好的工作站，而是价值数百万美元的超级计算机，但是与碰撞试验用的原型汽车不同，计算机可反复使用，并且有时除了用于验证耐撞性以外，在公司内有时可能还有其它用途。

也许最重要的是，计算机模拟还能让设计工程师们获得一些只有计算机才能提供的独特的能力。例如，他们能够在相当短的时期内进行一系列目的在于对整车耐撞性有重大影响的结构部件——如像将车顶与车窗下的底盘连接起来的柱状物之一的试验。他们能够想要多慢就多慢地“再放”模拟试验，并且对任何结构元件或甚至对结构元件的一小部分进行图象放大，看看它是怎样反应的。

这样的能力不仅产生大量有用的细节，而且它们也使工程师们能够充分发挥昂贵的原型车碰撞试验的作用。有了这一套令人满意的模拟碰撞试验，研制开发小组就能够减少由于实际的原型车碰撞试验进行得很差，因此需要又一轮昂贵的重新设计与重新试验的可能性。

当汽车碰撞时

虽然计算机模拟的经济实惠与其它好处使它们在设计与开发过程中占有重要的地位，但是在可预见的将来，它将补充而不是取代传统的碰撞试验。计算机处理能力的稳定增加使碰撞模拟在真实性与详尽程度达到了相当的水平，但模拟确实有其固有的限制。一个根本的限制是每一次模拟都只能回答一个特定的问题；例如，如果把车柱的粗细减小7％，对速度为每小时50公里(每小时30英里)的侧面碰撞会有什么影响。

的确，可以模拟的现象的范围限制了模拟能够回答的问题的种类。例如，由于翻车事故发生的时间较长、过程复杂、很难于模拟并预测这类事故的结果。翻车可能需要整整3秒钟，而一般的撞车发生的时间仅为100至150毫秒。模拟那样长的时间需要巨大的计算能力。一部汽车在翻车中的行为也可能是难于预测的，因为它取决于道路摩擦与其它。

用计算机发现汽车的任何部分在一次事故中是否有着火的危险——例如燃料箱是否可能爆炸——基本上也是不可能的。

原型车碰撞试验不大可能马上成为过时的另一个原因是大多数发达国家的政府交通安全部门仍然需要来自它们的数据。在美国，NHTSA和其它组织合作制定汽车制造商为了销售车辆必须遵守的安全条例。在欧洲，具体的规定有些不同，但是大致的过程是类似的：联合国欧洲经济委员会向它的会员颁发了欧洲联盟可采用的条例，反过来也是一样。

这些法律要求汽车制造商记录三种主要事故的原型车碰撞的数据：正面的，后面的与侧面的碰撞。规则是相当详细的——例如，它规定了汽车直到每小时48公里的速度与一个混凝土障碍物正面相撞时应具备的性能。这些试验一般首先被应用到汽车开发期间的早期的原型车上，后又被政府用来对批量生产车辆的安全性进行抽检。汽车制造商时常用它们自己的(更严格的)试验或用美国公路安全保险学会的试验来补充标准的原型车碰撞试验，这种更严格的碰撞试验使它们的汽车的耐撞性能远远超出政府的规定。

政府的要求是根据事故统计数字提出的。在1997年，根据交通安全管理部门的资料，在美国涉及客车的所有车事故的45.2％属于正面碰撞，33.9％是侧面碰撞，只有19.6％是后部碰撞。这些数字是十分典型的；因此，在改进耐碰撞性的工作中，政府安全机构一直把重点放在迎头碰撞上，结果是颁布系安全带的法令并推广使用气袋。然而在最近几年，汽车制造商们把注意力更多地放在改进车辆在发生侧面碰撞时保护乘客的性能上，一般是通过使用头部气袋(见图3)并重新设计汽车侧面的支柱与其它关键性的结构部件来做到这一点的。

为了了解设计者们怎样利用碰撞数据来使汽车更安全，需要知道一些有关碰撞的物理学知识。汽车事故基本上只是一种能量的转换：发生撞车时，运动着的车辆的动能转变为在碰撞期间使它们的车体变形的能量。最有影响的一个特性参数是碰撞时的车辆的速度：因为被吸收的碰撞能量与速度的平方成正比(汽车以每小时90公里的速度相碰撞其猛烈程度相当于以每小时45公里速度碰撞的四倍)。

重量是另一个关键性的因素。虽然重量在车碰撞中是不利的，但是在多车碰撞事故中它可能有好处。当重的车辆与轻的车辆碰撞时，在重的车辆中的乘客的遭遇一般比较好——除非轻的车辆在关键性的碰撞部位上是用比重的车辆更坚硬的材料制造的。事实上，这一问题指出了一种不幸的情况：政府规定的原型车碰撞试验要求对单独的车辆进行耐碰撞性评估而不管所有致命的撞车有63%涉及两部车辆或更多的车辆这样一个事实。如果汽车制造商必须将撞车时所有车辆的损坏减至最小——例如通过使重量与刚度保持平衡——跑车与其它比较重的客车则应当用多少有点更柔韧的材料制造。实际上一些汽车制造商现在正在开始将这种原理运用到他们的设计中去。

在一次事故中发生的所有人身伤害基本上都可以归因于两个原因中的一个：身体和物体(如方向盘)的碰撞，导致擦伤或扎破之类的外伤；或者在碰撞期间身体的突然加速而引起的内伤，如像骨折或伴以内部出血的器官破裂。在原型车碰撞试验中，装在假人中的传感器记录了峰值加速度，较低的加速度表明较好的耐碰撞性，从而导致死亡或严重受伤的概率较低。

加速度来自于在一次碰撞中车辆与它碰到的无论什么东西互相传递的动量。对于安全来说，最重要的因素之一是动量被传递到车辆的速率。这个因素又取决于许多变量。车辆材料的强度与刚度，结构支撑，发动机的位置与方向盘支柱的坚固度——仅举出许多设计参数中的几个——都能够影响碰撞引起伤害的程度。

部件到部件

模拟所有这些参数的计算机程序都是建立在一种称为有限元分析的算法技术上，编程员用这种方法将各个结构部件表示为一组有限元，其中的每个元素是一个多边形，并对与这些多边形相关的物理与材料特性(如像刚度与抗张强度)作了数学描述。对于碰撞试验，完整的模型一般是由几个部份组成的；车辆的车身、座位、发动机与乘客这些部分的每一个被进一步分解。例如，车辆由门板，车窗，支柱，支杆与其它零件组成：编程员把这些部件中的每一个描绘为一组有限元。

模型中的有限元越多，它模拟实际情况的精确性就越高。现在工程师们使用高档工作站或超级计算机，它们的功能大到足以模拟具有20万至30万个有限元的车辆模型，座位、发动机与乘客，可能再加上10万至20万个多边形。计算机能力的限制一直迫使编程员将乘客模拟为若干刚性的用关节连接起来的部分，很像碰撞试验中用的假人；这仍然是汽车行业中的标准作法。但是较高的计算速度最终使一些大学的研究人员能够模拟具有更现实的特征(如像软组织与骨)的乘员。这项工作之所以重要，是因为随着计算机能力持续不断的提高，模拟工程师能够计算碰撞期间体内特定器官的加速度只是一个时间问题。这种能力将是计算机模拟的另一个显著优点，因为虽然碰撞试验中的假人埋置了加速计，但是这些传感器只测量假人中某些部分的速度增加多少。它们不能够预测量在体内的某一个器官(身体基本上是一种流体介质)将怎样运动。

为了在一个模型内产生成千上万个有限元，工程师们使用了从开发过程的早期编制的计算机辅助设计程序中得到的数据。然后他们对每个元素规定物理特性(质量、容度，刚度等)和与它周围的元素有关的接触条件。工程师们将这些元素结合起来产生一个包括乘员在内的模型后就对其进行微调，确保质量分布与由此产生的重心尽可能精确地符合实际情况，完成后的模型是一个复杂的软件，它计算在撞车过程中动能怎样转变成变形、加速度、力与其他参数。

在模拟前，工程师们先规定碰撞条件，即设定车辆与无论它碰到的什么东西在碰撞前一瞬间的速度、柱碰撞时动能、按照牛顿的物理定律被转化成变形的能量——为了计算动能到变形能的转换需要用简单的关系式表示许多个有限元内与有限元之间的运动。实际上，这些程序把作用在所有元素上的力加起来得出一个用各种数学的与数值的方法求解的方程组。而这些元素的受力状态是用材料性质的标准原则确定的。这一模拟是依赖于时间的，它意味着要一次又一次地解该方程组，每一次都要适时修正每一个元素的位置与应力值，每一次新的迭代都把上一次迭代的最后结果看作它的初始条件，随着迭代的重复，转化继续进行，直到没有更多的动能留下来转化——或者，换句话说直到所有的运动部件都达到静止状态为止。

在模拟期间，程序编制员能够确定在有限元多边形的顶点上的速度与变形，然后他们就能够用这些值确定各个有限元受到的应力。对于该模型的乘员(“软件假人”)，他们测量加速度，运动与力而不是应力水平。

今天汽车厂商使用的三个主要的模拟程序是PAMCRASH，LS-DYNA3D与RADIOSS，所有这三个程序都是以本世纪60年代后期美国开发的军用程序为基础的。它们都依据上述有限元原理，而其区别则在于它们能够容易模拟的材料种类略有不同，处理在碰撞时相互“接触”的表面的方式不同，并且在建立模型(前处理)与碰撞分析(后处理)过程中提供的软件支持不同。

这些程序都是由汽车公司与软件卖主联合开发的。例如，PAMCRASH是包括大众汽车公司，福特汽车公司，奥帕尔公司与法国软件公司Engineering Systems International(ESI)在内的一个欧洲联合项目的开发成果，PAMCRASH也被日本汽车厂商广泛使用，美国汽车制造链中所用的主要是LS-DYNA3D，它是以劳伦斯利弗莫尔国家实验室为模拟核爆炸而编制的代码为基础的，RADIOSS则是由ESI的以前的一些雇员创办的一家法国公司Mecallog开发的。

挖掘模拟潜力

宝马公司最近的一个项目对模拟的能力作了很好的说明。该公司由一批设计人员、一个模拟工程师与一个测试工程师组成的研究小组尝试开发能改善所有宝马车侧面碰撞安全性的技术原理。该研究小组在1995年动手研究模拟的潜力(他们用了PAMCRASH)，决定最终把原型车试验限制在两种碰撞情况以验证他们的最后的设计原理。

一个现有的生产型号，即1995年5座汽车被用作该项目的起点。每次模拟后，研究小组的成员都要碰头，分析结果并设计另一次试验，就像预期的那样，研究小组很快得到了反馈，使小组成员们能够在几天之内彻底检验一种想法并且决定是接受它或舍弃它。令人惊奇的是随着试验资料的积累，总的效果大于各次试验简单的相加。该小组正增加他们对基础力学特性的基本了解。

这种改进的一个特别富有成果的例子涉及所谓的B支柱，它是连结车顶与车窗下的底盘的6个结构部件之一。(任何汽车的每一侧上都有3个这样的支柱：从前面至后面，它们被标记为A，B与C)。通过分析来自早期项目的原型车侧面碰撞记录，这个研究小组的工程师们发现，在一次又一次的撞车中，B支柱的一小部分都弯曲了。这一部分在支柱底部的附近(见图6)，这样的弯曲使他们感到烦恼，因为当支柱变形时它作为屏障的价值就被削弱，乘员受伤的概率上升。

工程师们设想增大支柱的重量会加固支柱的底部，使汽车对从侧面刺入的抵抗力为更强。他们中没有哪一个感到必须检验这种假设，但是，有一个开发小组成员坚持要验证并指出在计算机上做。这一工作既不困难又不费钱，当程序运行时，该小组吃惊地发现，加固弯曲的区域实际上显著降低了耐碰撞性。

开始时，该小组的成员中没有一个人能够解释这种现象。可是通过更多次数的重复与仔细分析后，他们找到了原因他们发现，B支柱下部的加固会使支柱易于在加固的区域上方较高的部位上发生弯曲，从而，乘员舱更容易在较高的部位上发生弯曲。从而，乘员舱更容易在较高的部位上被刺穿，也就是更靠近乘员的中部、胸部与头部的地方。所以对支柱弯曲的问题的解决办法结果弄清楚是与直觉相反的：削弱B支柱的下部而不是加固它。

用这种知识武装起来以后，该研究小组开始重新评价那时已投产的或正在开发中的所有宝马车的车身内的所有加固区域此项工作不同程度地改善了所有那些汽车的耐碰撞性。

在大约一个内进行了91次模拟碰撞与两次原型车碰撞后，该研究小组的工作于1996年结束。处于开发阶段的车辆经过重新设计后，对侧面碰撞的耐撞性比原来的设计提高了30%。这一改进是用几种方法测量的，如像通过计算与比较模拟的与实际的碰撞中模拟的身体各部位或试验用假人的身体各部位(如骨盆与胸部的加速度)。值得指出的是，在本项目结束时进行的两次原型车碰撞强有力地证实了模拟结果与测试的成本效益：与全部91次模拟碰撞相比。建造、准备与测试两台原型车所花的费用更多(总计30万美元)。

宝马公司的其它类似项目重点往正面碰撞上，并且取得的战功获得了公路安全保险机构的赞扬，在1997年，该机构将其最高的耐碰撞等级授予宝马5座汽车，它是其开发显著得益于模拟的汽车中的一种。

在下一个一千年中的模拟碰撞

在今后的5至10年中，软件与设计工程师将提出有几百万个有限元的碰撞模拟模型。在一系列试验中，为了进行下一轮试验现在需要花的一周时间将减少到半天。这些进展与其它进展将带来一些重大的利益，例如，软件假人的结构将更为详尽能模仿人的生理特性，提供碰撞试验用的假人不能提供的数据。汽车公司大概也将终于能够模拟翻车事故。这样的计算能力将让工程师们能够模拟更实际的事故情景，如像包括以各种角度发生的多车碰撞。

而且，汽车工程师将能够用计算机模拟，如像检测乘员的位置、重量与高度并利用这些信息来调节它们展开的力与速度的气袋这样一类所谓灵巧安全系统的性能。汽车制造商仅仅使用快速而便宜的模拟就能够进行使复杂的安全系统最佳化所必须的大规模试验。

汽车安全专家确实是刚刚才开始发掘计算机软件与硬件的能力。在下一个十年中，一些主要的进展将继续扩大开发过程中计算机模拟的作用。并且当模拟技术改进耐碰撞性时，这一重大改革的成功将以挽救的性命的数目来加以判断。 

【胡彦／译 郭凯声／校】