汽車零部件的種類眾多，一輛汽車通常由數(shù)以萬計(jì)的零件組成，包括數(shù)十種大的總成。在開發(fā)過程中或設(shè)計(jì)過程中的問題分析數(shù)量巨大。

汽車零部件種類繁多，由幾十個(gè)系統(tǒng)組成。按功能可分為以下幾大類：

● 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：包括發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器、曲軸箱氣體再循環(huán)裝置、點(diǎn)火裝置、催化轉(zhuǎn)化器、氧傳感器、空氣流量計(jì)、化油器、汽油泵、汽油濾清器等；

●?底盤系統(tǒng)：包括離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等；

●?車身系統(tǒng)：包括車架、車門、車窗、車頂、后視鏡、保險(xiǎn)杠、車燈等；

●?電器儀表系統(tǒng)：包括蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火線圈、火花塞、繼電器、開關(guān)、保險(xiǎn)絲、線束、儀表盤、音響系統(tǒng)等；

●?空調(diào)系統(tǒng)：包括空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、干燥器、膨脹閥等；

●?安全系統(tǒng)：包括安全帶、安全氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、電子穩(wěn)定程序（ESP）等汽車零部件；

●?內(nèi)飾外飾系統(tǒng)：包括儀表板、副儀表板、管梁支架（CCB）、空調(diào)風(fēng)道、頂棚、地毯、隔熱墊、車門飾板、側(cè)圍飾板等內(nèi)飾件，以及內(nèi)外后視鏡、前后保險(xiǎn)杠、遮陽板、擾流板、行李架等外飾件；

●?座椅系統(tǒng)：包括主副駕駛座椅以及二三排座椅，可能具有加熱通風(fēng)按摩等功能

※ 安全氣囊應(yīng)用

以安全系統(tǒng)中的安全氣囊為例，LS-DYNA氣囊仿真應(yīng)用十分成熟，從起初人們只關(guān)心氣囊完全展開后假人膨脹響應(yīng)，到現(xiàn)在越來越關(guān)注不同折疊方式的影響、不同泄氣孔大小形狀位置的影響、以及氣囊展開時(shí)對周圍零部件的沖擊，甚至是非正常坐姿下（Out of Position）的氣囊展開模擬等，這些問題都可以應(yīng)用LS-DYNA提供的多種安全氣囊方法分析方法進(jìn)行模擬。

三種安全氣囊分析方法介紹

LS-DYNA中最先提出的氣囊分析方法為CV方法（Control Volume），其特點(diǎn)是假設(shè)氣囊中的氣體壓力是均勻分布的，然而現(xiàn)在我們知道，氣囊在展開過程中，不同區(qū)域的壓力其實(shí)并不均勻，因此傳統(tǒng)的CV方法適用于模擬氣囊展開后的特性，卻可能無法完全準(zhǔn)確地模擬氣囊展開的過程。

隨后LS-DYNA開發(fā)出ALE方法（Arbitraty Lagrangian Eulerian），以任意拉格朗日歐拉算法計(jì)算氣囊中氣體的流固耦合過程，相對CV方法更加準(zhǔn)確與真實(shí)。

近年來，LS-DYNA加入CPM方法（Corpuscular Particle Method），進(jìn)一步強(qiáng)化了該領(lǐng)域的分析能力，CPM方法的特點(diǎn)是使用粒子來模擬氣囊中的氣體。

CV方法的關(guān)鍵字為*AIRBAG，假定氣囊中的氣體壓力均勻分布，求解熱力學(xué)平衡方程，壓力施加在氣囊織物單元的法向上，然后將整個(gè)氣囊撐開。其優(yōu)勢是計(jì)算成本低，穩(wěn)定性高，且氣囊參數(shù)定義非常簡單，但模擬氣囊展開的過程有時(shí)候并不是特別準(zhǔn)確。

ALE方法關(guān)鍵字為*AIRBAG_ALE，氣體使用ALE單元，氣囊織物及周邊結(jié)構(gòu)使用拉格朗日單元，進(jìn)行流固耦合計(jì)算。其優(yōu)勢是ALE方法屬于真實(shí)的流固耦合模擬，可以準(zhǔn)確地模擬氣囊展開過程，但其往往需要相對復(fù)雜的模型設(shè)置（需要定義域，材料等一系列參數(shù)），且由于涉及流固耦合計(jì)算需要定義大量的耦合點(diǎn)計(jì)算，以避免出現(xiàn)泄露問題，因此計(jì)算時(shí)間也相對較長。

CPM方法基于分子動(dòng)理論（Kinect molecular），其關(guān)鍵字為*AIRBAG_PARTICLE，分子動(dòng)理論存在某些基本假設(shè)，如氣體由大量的粒子（稱為分子）組成，分子之間的距離遠(yuǎn)大于自身大小，假設(shè)氣體分子在不斷進(jìn)行快速隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，分子之間彼此碰撞，或與容器氣壁進(jìn)行碰撞，這些碰撞均可視為彈性碰撞。分子的平均動(dòng)能僅依賴于系統(tǒng)溫度，分子的速度符合麥克斯韋-玻爾茲曼分布，使用相對較少的粒子模擬大量的分子，以保證統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分布與實(shí)際保持一致。通過粒子與織物相碰撞計(jì)算壓力。其優(yōu)勢是可相對準(zhǔn)確的模擬氣囊展開的過程，計(jì)算速度更快，穩(wěn)定性好，且可以簡便的從*AIRBAG_HYBRID模型轉(zhuǎn)換。也正是基于分子動(dòng)理論，而非實(shí)際的流體計(jì)算，因此有時(shí)候不能精確地模擬實(shí)際的局部流場。

綜合計(jì)算時(shí)間、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性來看，CPM方法適用于汽車碰撞過程中的氣囊仿真，其效率比ALE更高，但是比傳統(tǒng)CV方法計(jì)算速度稍長，因此LS-DYNA中的CPM方法性能也在不斷優(yōu)化，目前版本已支持計(jì)算過程中對粒子自動(dòng)重新分區(qū)，從而使得 MPP計(jì)算資源更加均衡，以及更效率的周邊搜索方法，CPU之間的數(shù)據(jù)交互性能提升。

LS-DYNA R12版本相對于R7版本中處理粒子與粒子、粒子與織物之間的計(jì)算，速度提升了約3倍，總體計(jì)算提升約為30%。

對比三個(gè)基準(zhǔn)氣囊模型側(cè)氣簾Curtain Airbag（CAB），駕駛員安全氣囊Driver Airbag（DAB），副駕駛安全氣囊Passenger Airbag（PAB）展開，三個(gè)模型分別用不同CPU的R11和R9.1計(jì)算，有著15%到45%的速度提升，且計(jì)算核數(shù)越多，提升速度越快。CPM方法更推薦R11以上版本。

模擬安全氣囊折疊狀態(tài)，LS-PrePost中基于網(wǎng)格模擬氣囊的過程相對簡單。另一種方法是，通過LS-DYNA計(jì)算壓平、卷繞的過程，如上圖中左下角案例所示，可考慮不同折疊方法帶來的不同影響。LS-PrePost中airbag及網(wǎng)格折疊方法可通過“Occupant Safety”中“Airbag Folding”進(jìn)行查看。

側(cè)氣簾折疊，除了上文所提壓平與卷繞之外，還需模擬其真實(shí)的安裝方式，在LS-PrePost中可使用Morph方法來進(jìn)行。

為精確模擬安全氣囊的過程，這里還需要進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，主要包括針對氣體發(fā)生器的Tank實(shí)驗(yàn)對標(biāo)（如速率曲線），針對織物的材料實(shí)驗(yàn)對標(biāo)（如針對力學(xué)性能的單向拉伸、雙向拉伸、剪切實(shí)驗(yàn)、以及透氣性的氣體泄漏實(shí)驗(yàn)對標(biāo)），基于氣囊總成的低速?zèng)_擊、中速?zèng)_擊和高速?zèng)_擊對標(biāo)。

※?安全帶應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)式安全帶構(gòu)造，由織帶、鎖扣、滑環(huán)、預(yù)緊器、卷收器等構(gòu)成。

LS-DYNA針對每個(gè)零部件都有專門的單元可模擬，例如安全帶&帶扣可使用關(guān)鍵字*ELEMENT_SEATBELT，安全帶材料則可使用*MAT_SEATBELT，支持1D或2D單元。卷收器可利用關(guān)鍵字*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR來模擬，其特點(diǎn)是可以將安全帶單元組合進(jìn)入卷收器位置后，移除掉該單元，也可生成安全帶單元。滑環(huán)可利用關(guān)鍵字*ELEMENT_SLIPRING，預(yù)緊器對應(yīng)關(guān)鍵字*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER。

安全帶模擬的重要過程之一，是將安全帶連接到假人上，點(diǎn)擊“Application” – “Occupant Safety” – “Seatbelt Fitting”工具即可輕松完成該步驟，如右圖案例所示。

安全帶的開發(fā)過程中，往往需要進(jìn)行滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其性能。LS-DYNA可以精確的模擬整個(gè)滑臺(tái)實(shí)驗(yàn)過程，視頻中展示了實(shí)驗(yàn)和仿真的假人姿態(tài)是吻合度非常高。

※?座椅應(yīng)用

約束系統(tǒng)中除安全帶與氣囊分析外，座椅分析有著同樣重要的位置，如法規(guī)規(guī)定的行李箱撞擊分析（動(dòng)態(tài)過程），安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析（準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以使用LS-DYNA隱式求解器分析），兒童座椅ISOFIX強(qiáng)度分析，鞭打工況，HPM模擬，兒童提籃和座椅模擬等，常規(guī)的強(qiáng)度分析，如側(cè)面強(qiáng)度，極限強(qiáng)度，座椅的模態(tài)分析都能在LS-DYNA中實(shí)現(xiàn)。

※?轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面，LS-DYNA可進(jìn)行模態(tài)分析，強(qiáng)度分析如剛性彎曲力和扭轉(zhuǎn)力加載，法規(guī)規(guī)定的胸碰頭碰分析等。

※?輪胎

當(dāng)輪胎在含有積水層的路面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)對積水層進(jìn)行排擠，于是輪胎與路面接觸區(qū)前部的水便會(huì)因?yàn)閼T性而產(chǎn)生動(dòng)壓力（與速度平方成正比）。當(dāng)輪胎轉(zhuǎn)速的提高，動(dòng)壓力會(huì)使輪胎與路面的直接接觸面減小。而當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定程度時(shí)，動(dòng)壓力的升力與垂直向下的載荷相平衡，此時(shí)輪胎將完全失去與路面間的接觸，而漂浮在水膜上。這種汽車等交通工具通過有積水層的路面時(shí)，輪胎失去與路面接觸的現(xiàn)象，稱為水漂Hydroplanning，又稱為水翔、水滑、滑水。當(dāng)滑水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，行駛時(shí)的附著能力顯著降低，嚴(yán)重影響行車安全，容易發(fā)生危險(xiǎn)。

LS-DYNA中ALE方法可用來模擬輪胎的滑水特性，視頻中案例為韓泰輪胎基于ALE方法的滑水仿真，其過程是在ALE中定義路面，水的輸入?yún)^(qū)域，空氣域等，隨著水逐漸流入空氣域中，輪胎在空氣域中和水進(jìn)行流固耦合的過程。

上圖案例為利用LS-DYNA輪胎滑水仿真，改善輪胎胎紋形狀設(shè)計(jì)實(shí)例。改善之后的接觸力比原先相同速度下的接觸力顯著提升。

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LS-DYNA中的顯式SPH求解功能非常適合求解涉及超高速撞擊、爆炸和其他瞬態(tài)事件等問題，但在涉及諸如涉水等較慢的流體流動(dòng)仿真時(shí)仍需優(yōu)化。在此基礎(chǔ)之上，不可壓縮SPH (ISPH)功能是專門為處理諸如涉水、電機(jī)冷卻、齒輪潤滑等大型不可壓縮流體仿真而開發(fā)，它允許比通常的顯式SPH仿真更大的時(shí)間步長，同時(shí)避免了對流體不可壓縮性的妥協(xié)。與顯式SPH和其他FVM方法相比，ISPH方法具有更少的仿真時(shí)間。

在進(jìn)行碰撞仿真時(shí)，LS-DYNA提供多種輪胎有限元模型，且均已針對法規(guī)要求進(jìn)行標(biāo)定。

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