行業：汽車

    挑戰：產品設計的復雜性增加， 制造商不斷受到降低成本 的壓力，CAE仿真技術的 應用能夠使汽車公司開發 更多的設計方案，研究解 決設計上的各種挑戰以及 提高汽車的安全性能。

    Altair 解決方案：Altair 與 Ford 合作利用 HyperWorks 仿真技術在 24 個小時內完成了網格劃 分、裝配和仿真碰撞的整 個過程。

    背景介紹 

            自汽車投產之初，制造商就開始關注汽車的安全性。隨著時間的推移,他們已經努力開發了主動安全設備,例如防抱死制動系統 全氣囊等。

            在考慮各種汽車安全性同時，汽車制造商也集中于碰撞安全性，通過測試以確保事 故中乘員的安全。但實際的汽車碰撞測試是非常昂貴的，汽車制造商日益轉向使用計算 機仿真技術去滿足政府機構的安全條例。 

            20世紀90年代，汽車制造商開始使用商業仿真技術仿真碰撞試驗，分析人員只對簡 單部件如保險杠創建簡單、粗糙的有限元模型-少于1000個單元。對于單個部件就要花好 幾天才能得到結果, 他們在大型主機或超小型電腦上運行模型計算。因為時間、計算機資 源及成本的限制，當時的仿真技術不能適用于整車碰撞分析。   

    仿真的意義 

            采用CAE仿真技術仿真碰撞試驗很有意義。產品設計的復雜性增加，制造商不斷受 到降低成本的壓力，CAE仿真技術的應用能夠使汽車公司開發更多的設計方案，研究解 決設計上的各種挑戰以及提高汽車的安全性能。

            此外，仿真降低了對物理樣機的需要，每項物理測試的花費從250,000美元到100萬 美元不等。據估算，實施虛擬碰撞試驗能降低大約75%的費用。它也能減少制造商應對 滿足日益苛刻的安全條例的時間。更重要的是，利用仿真技術縮短了產品進入市場的時間。  

            計算機技術的不斷發展使仿真工具得到更為廣泛的接受和應用。例如，高性能計算平臺的發展使仿真相比以往運行更 快、更強大、費用更少。此外，仿真軟件已經發展成為解決規模更大、更復雜的問題，同時完全利用硬件優勢最小化產品 開發周期。例如，RADIOSS是包含線性和非線性分析的有限元求解器。作為Altair HyperWorks家族的一個重要部分，它的 特點是高效的求解算法和智能化內存管理，使汽車、航空航天等制造商能用于仿真具有數以百萬計的自由度結構。軟件的 最新版本已經優化到能夠充分利用多個計算“核”進行高速計算復雜而龐大的模型。

            RADIOSS采用新的混合求解方法，在2009年11月，用來仿真一個超過一百萬個單元的車輛正面碰撞，在一個基于英 特爾處理器Xeon 5560系列的集群上執行仿真分析，共用了不到5分鐘的時間。

   

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    “Altair 與 Ford 合作僅花費了 24 個小時完成了網格劃分、裝配和仿真碰撞的整個過 程，我們的團隊全靠 HyperWorks CAE 仿真平臺提供的商業軟件。” 

                                                                                                                            CAD2CRASH24項目代表Pradeep Srinivasan  

                                                                                                                           Altair高級技術專家

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    解決方案

    基于2009年11月RADIOSS在求解速度上的突破，Altair與Ford汽車合作在24小時之內完成了整車碰撞分析過程。此過 程包括白車身(BIW)和部件劃分網格、裝配、創建載荷工況、假人管理、模型清理及檢測、碰撞求解分析和后處理等一整 套完整的步驟。

     該團隊由五個成員組成，在24小時之內他們分別接力完成項目的不同部分。他們想向全世界展示團隊協助“follow-the-sun”策略，即團隊成員各自完成他們的部分項目，然后把它移交給其他同事的接力完成策略。

       此過程的第一步涉及到導入整車的原始CAD數據到AltairHyperMesh。采用Ford2010年的一款中型汽車的CAD模型，包括超過1000個裝配，超過2000個零件的白車身（BIW）與子系統、儀表 板、動力總成、前保險杠、座椅總成、輪胎和懸掛部件等等。Ford提供了 白車身（BIW）的CAD模型。對子系統模型進行來自國家公路交通安全管 理局，并對其進行了Morph即變形以匹配白車身模型。

    當將這些零部件導入到HyperMesh中，它們被自動添加到 CAD2CRASH24項目中并由Altair嵌入式仿真數據管理進行管理。

    HyperMesh包括CAD幾何清理工具，可以幫助清理導入的CAD模型。這是確保高質量的有限元網格生成的重要的一步。

    批處理網格劃分并行執行所有的白車身（BIW）和子系統的網格劃分工作。此工作對工業界來說很新穎，涉及到提交多個部件組并行云計算節點。當一個部件劃分完網格后，其它的零部件將開始自動分網。根據它們具體的連接模式：焊接、螺栓連接、膠接等。然后將白車身（BIW）和子 系統裝配成為一個整體模型。接下來，為所有部件布置質量以補償CAE模型和根據BOM表定義模型。

    為了完成碰撞仿真的模型,團隊使用AltairHyperCrash將乘員、安全帶 路徑和安全氣囊包括在模型中。軟件包括碰撞和安全建模任務所用的用戶工具如：零部件更換與定位、假人定位、座椅變形和安全帶路徑。同時也使用HyperCrash處理質量平衡并驗證該模型，其碰撞模型驗證能力范圍從簡單單元質量檢查到部 件連接錯誤檢查。用戶可以從視覺上檢查每個部件的狀態，其通過顏色(紅色、橙色和綠色)表示。

    為了簡化作業調度和管理,我們使用了PBSCatalyst，它是PBSWorks中一個作業管理門戶技術，幫助制造業用戶在實現CAE仿真的同時按照需求有效地利用企業的計算資源。PBSCatalyst提供直接從桌面拖放進行作業調度和管理功能。它自動地識別提交的輸入文件所需運行的求解器，在此，我們選擇采用RADIOSS求解器并定義相關的內存需求。

    在作業調度上，PBSWorks系統中的作業管理軟件平臺PBSProfessional通過AltairComputeCloud上的64個CPUs 分配和管理RADIOSS工作量。作為一個單一的統一系統，PBSProfessional是能夠提供智能化的管理分布式的高性能計 算環境的平臺。基于policy-driven架構,PBSProfessional能夠幫助企業對高性能計算（HPC）資源進行最優規劃。

    RADIOSS對整車正面碰撞進行仿真，計算到65毫秒，采用50%HybridIII的假人及參考度量(IMM)安全氣囊。PBS Works作為高性能計算及資源管理系統，它可以自動識別作業完成并將結果自動返回到分析工程師的桌面，大大提升了計 算效率。

    將結果直接導入到后處理可視化軟件HyperView中，可以創建交互式的標準報告,如變形動畫,加速度和能量顯示以及乘員損傷準則等。

    CAD2CRASH24項目積極采用Altair“ComputeCloud”，它由高速處理器，高速網絡和高度安全的專門節點組成。云計算模型,例如在這個項目中,由于PBSWorks的作業管理及調度，使計算資源以一種升級的方式被共享和訪問。具體地說，硬件配置如下:

    64個CPUs /32GB的RAM /64位Linux操作系統/ 64位WindowsXP筆記本電腦/MicrosoftWindows操作系統

    在Linux平臺下劃分網格，裝配和計算。在64位WindowsXP的筆記本電腦上創建整車碰撞模型。

    在開始“CAD2CRASH24”概念的證明之前,該團隊為各項任務確定了時間框架。 

    他們估計完成白車身（BIW）和子系統批處理網格劃分分別花費兩個小時,兩個小時完成白車身（BIW）裝配(焊接);四個小時完成子系統裝配(螺栓連接、焊接、膠粘)。他們也為質量布置,碰撞設置和模型驗證分別分配兩個小時。在64位CPU 上運行碰撞仿真分析花費大約六個小時，運行報告大約兩個小時。

    CAD2CRASH24涉及的計算技術及工具：

    HyperMesh:高性能的有限元前處理器，提供了一個用于分析產品設計性能的虛擬環境。功能包括曲面和實體幾何建模，殼網格劃分，實體網格生成和批處理網格劃分等 

    HyperCrash:專門為汽車設計的用于碰撞分析和安全性評估的自動化創造高保真度模型，包括：質量檢查；網格編輯； 安全工具建立、編輯和為碰撞分析定義安全相關的特征；質量平衡，管理每個部件和整個碰撞模型的質量和慣性屬性。 

    RADIOSS: 該求解器包括線性分析與非線性分析，可以用來仿真結構、流體、流固耦合、鈑金沖壓以及多體運動系統。 它的特點如下：完備的材料庫；易于讀取輸出文件；

    NASTRAN環境兼容性；提供有限元假人、壁障和撞擊模型。 

    HyperView: 該軟件是一個完整的后處理可視化環境,可用于處理有限元分析、多體系統仿真、試驗視頻的結果可視化， 并支持對試驗及仿真等工程數據進行各類處理。 

    其他的軟件工具也為“CAD2CRASH24”概念的證明發揮著重要的作用，包括： 

    HyperWorks Data Manager:利用此軟件,用戶在整個產品開發過程中可以捕捉,組織和管理數據。它能與任何現存的 PDM系統、數據庫和其他企業系統結合。 

    PBS Professional: 作為Altair PBS Works系統的一部分,它是復雜高性能計算作業管理和調度系統，可以實現計算機資 源的利用效率最大化。 

    PBS Catalyst: 此基于Web Portal能夠使用戶很容易的通過拖拽輸入文件到桌面系統中PBS Catalyst圖標上提交和管理 作業。輸入數據集自動順序提交，作業完成后自動返回輸出文件。

  

    結論 

    大部分工作

比所預期所花費的時間要少，有些花的時間比預期多一些。例如，在質量布置任務中，我們不得不進行人 工尋找一些模型并進行手工更新質量。在建立碰撞階段我們也必須做一些手動調整，這些工作是分析工程師在他們的日常 工作中經常遇到的。完成了“CAD2CRASH24”這樣一個概念證明POC項目后, 我們對涉及到的各種挑戰有了一個更深刻 的認知，為將來進一步精煉計算流程積累了經驗。 

總之, Altair CAD2CRASH24項目可以為全球制造商定制和實施高效的仿真流程。此項目延伸可以到任何需要確保其產 品沖擊和安全性能的任何行業，包括手機跌落、飛機鳥撞或植入醫療器械的疲勞分析等領域。   

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