模拟是如何帮助Felix Rosenqvist在底特律大奖赛中摆脱撞车的?

最近的底特律大奖赛充满了通常你会从印地赛车系列比赛中期待的那种肾上腺素刺激的兴奋，伴随着激烈的超车和高速的追逐。然而，一名车手被提醒这项运动是多么危险。当菲利克斯·罗森奎斯特(Felix Rosenqvist)准备在6号弯道转弯时，他的车失去了牵引力，撞上了有轮胎的混凝土护栏，所幸没有受重伤。看看下面的视频。警告一下，这可不是容易看的。

设计赛车包括一系列计算机辅助工程（CAE）任务，包括零件和全车辆的啮合，组件的有限元分析（FEA），碰撞试验模拟，优化和用于阻力分析的计算流体动力学（CFD）．结果，车辆的每个单一部分都是设计和优化的，然后通过碰撞测试和空气动力学性能模拟验证。该验证过程旨在在物理原型甚至考虑的物理原型之前满足FédérationInternationale de L'Automobile（FIA）的严格测试要求。

找到平衡
虽然速度和技术可能最终赢得比赛，但确保车手的安全是当务之急，这又增加了一层工程师必须考虑的复杂性。赛车设计的圣杯是一个强大的和轻的。这确保了汽车的性能在同时确保驾驶员的安全性。

创新材料的使用代表了重量和强度方程中的一个重要变量。选择包括高强度钢，不锈钢，铝合金和复合结构．复合材料，虽然非常坚固和轻量化，引入了高度复杂的CAE分析，特别是碰撞模拟。各种形状和类型的复合材料(编织的，单向的)必须以不同的方式建模和制造。由于物理现象非常复杂，行为很难预测。进行分析需要大量的数据，需要专门的专业知识和软件。

达拉莱汽车公司是一家意大利底盘制造商，在设计时考虑到安全问题。几位著名的司机都将自己在发生可能致命的车祸后的生存归功于该公司的设计创新。虽然速度在赛车中一直是最重要的，但该公司致力于从工程角度来推动所能做的事情，以保护车手的边界。他们使用牵牛星HyperWorks™，一个全面的开放式CAE软件，包含预处理和后处理工具，多个物理求解器和优化能力。

HyperWorks包括一个量身定制的环境，可以有效地协助碰撞和安全工程师进行模型构建，从CAD几何图形开始，最后以一个可运行的求解器甲板完成牵牛星收音机™．从假人定位、座椅机制到安全带路径，它提供了端到端的分析工作流，根据不同的规则简化了碰撞模拟的设置。

Dallara获得了一份合同，为IndyCar车队提供“幸存者单元”，即被称为IndyCar安全单元的核心滚动底盘。作为其研发过程的一部分，Dallara专注于结构分析。通过研究材料在压力下的行为，工程师可以在汽车部件中模拟任意数量的不同金属、塑料和复合材料结构的性能。

利用HyperWorks的强大功能，可以有效地利用有限元分析(FEA)和优化方法进行权衡研究，找到最优结构布局配置，选择材料，最重要的是，提高车辆的安全性。

可以
总赛车包必须符合INDYCAR规则和规定。电脑仿真与室内和轨道测试相结合，有助于达拉拉符合系列的同源测试。

由于安全是最重要的，Dallara使用Radioss执行计算机崩溃模拟，这是Altair公司的非线性和线性求解器，用于模拟碰撞和冲击研究中的动态加载。举个例子，对于幸存者单元，Dallara必须证明，在给前箱施加4吨的负荷后，不会有任何损坏。

在此过程中，工程师使用Radioss运行多个评估。当他们对结果感到满意时，他们将在公司工厂进行物理测试。然后，工程师访问意大利米兰的测试中心进行正面测试崩溃。他们用虚拟司机崩溃幸存者单元，试图复制赛道上可能发生的事情。幸存者细胞不能失败。在正面测试中，鼻盒必须从碰撞中消散能量。

Dallara对车辆其他部件重复模拟物理测试过程。例如，工程师进行后冲击结构的推迟测试，其中结构必须没有故障或结构与存活细胞之间的任何附着;后轮碰撞试验，其中后轮轴线的结构必须没有损坏;侧面冲击结构的推迟测试，其中结构必须没有故障或结构与存活细胞之间的任何附着;和侧面碰撞测试，其中距离单胶片并没有损坏安全带和灭火器的任何附着。

另一项重要的试验是对滚轮箍进行的，滚轮箍是一种钢结构，当汽车被后方或侧面撞击时，它可以保护驾驶员。工程师在环的顶部施加12吨的力。箍下100毫米的平面内必须没有结构失效。

Dallara还进行了一项测试，在驾驶员前方的底盘前部施加7吨的力，预计一辆车可能会压在另一辆车上。这项测试并不是印地车所要求的，但由于达拉雷致力于打造最安全的汽车，所以它认为这是一个需要进行的重要测试。

在所有测试完成后，工程师在车身两侧安装了一个额外的安全装置——由多层复合材料组成的Zylon复合板。这种经过优化的弹道材料在许多场合拯救了赛车手的生命。

复合材料的复杂性
IndyCar的单舱重178磅。它是一个碳复合结构与铝蜂窝芯。侧板是用钢制造的，有两个铝数控加工的踏板和仪表板舱壁。燃料箱也是由碳复合材料组成的。

复合材料提供高性能，所以设计师总是在研究零件的新形状，并定义如何将不同的材料组合在一起。其目标是减轻重量，因为复合材料比铝或钢轻，但通常吸收的能量相同。

复合材料的物理现象非常复杂，需要大量的数据进行分析。对于金属，材料的性质是各向同性的，所以主要的设计变量是形状。在复合材料中，可以通过将不同纤维方向的堆叠层定向来改变方向刚度，从而创建一种可定制的层压板结构，以满足结构每个部分的要求。因此，Dallara与主要的原材料市场供应商合作，学习新的碳纤维增强聚合物(CFRP)材料的发展，以及软件开发人员，如Altair，以帮助实际上确定最佳的层压板配置和铺层方向的结构。

达拉雷已经建立了一个多步骤的过程来分析碳底盘结构，如印地车。第一阶段涉及模型准备。在第二阶段，工程师定义材料，边界条件和变量用于分析和优化(见仿真驾驶设计)．在第三和第四阶段进行结果可视化和分析。所有这些步骤都在HyperWorks中实现。

在评估模型中，Dallara在层压板中检查每种帘布层的材料反应。使用来自许多实验测试的材料数据;达拉拉在过去几年中一直在合适的是，开发材料模型和新的软件功能，以满足特定要求。

CFRP材料的动力分析是多方面的，包括选择破坏准则来定义损伤机制，如分层和开裂、破坏扩展、惯性现象、失稳、能量吸收和应变率效应。无线电为工程师提供了一个很好的环境来改变材料参数和失效理论，以找到与现有试验数据匹配的材料模型。一旦这些模型被定义和验证，仿真可以可靠地在不容易测试的条件下进行。

考虑到所有这些，仿真软件使工程师和设计师能够生产高性能和安全的车辆，能够承受比赛或更糟糕的碰撞的严酷力量。事故是会发生的，特别是在像底特律大奖赛这样高风险的运动中。凭借广泛的动态负载分析和设计优化能力，牵牛星的解决方案确保司机的安全，同时保持在性能的前沿。