纳斯卡的下一代赛车通过模拟验证安全

蒂姆·帕卢卡著

2018年，纳斯卡宣布将开发一款名为“下一代”(Next Gen)的新型赛车，作为纳斯卡杯系列赛(NASCAR Cup Series)所有车队的平台。不出所料，这引起了一些人的不满，并在车队和赛车迷中引发了强烈抗议。设计一辆新赛车有那么多可能出错的地方，为什么还要冒这个险呢?为什么要抛弃工程师、机械师和司机几十年来为优化汽车性能而创造的创新?

但纳斯卡官方有他们的理由。车迷在赛道上的出场率下降了，那些在全国汽车赛车协会(NASCAR)旗下比赛的赛车，现在与从装配线上下线进入世界各地经销商的真正的赛车几乎没有什么相似之处。事实上，尽管这些赛车被吹捧为最新的汽车工程，但它们使用的是20世纪60年代和70年代的汽车技术的高度改进版本，多年来工程师们对这些技术进行了微调，以获得更高的性能。

NASCAR负责赛车创新的高级副总裁约翰·普罗布斯特(John Probst)将这一挑战概括为“相关性”。

普罗布斯特表示:“我们需要一个赛车平台，让我们与原始设备制造商(oem)和车迷之间的联系更加紧密。“困扰我们的一件事是，这辆车的悬架技术来自上世纪60年代。我们并没有很好地跟上汽车行业的步伐。就此而言，我们的赛车车身更像轿车，而不是跑车。众所周知，内燃机面临着来自电动混合动力和全电动动力系统的巨大压力。因此，我们必须与我们的粉丝、我们的汽车oem、我们的库存汽车传统以及环境现实更加密切相关。”

从赛车的商业角度来看，拥有一支赛车车队的成本已经达到了惊人的水平——在八位数的范围内——而这仅仅是一支由几辆赛车、一名车手、一些工程师和机械师组成的普通车队。这使得在纳斯卡有兴趣扩张的时候，新的车主无法进入这项运动。Next Gen的计划是让所有车队都从同一个供应商那里订购标准零件来制造他们的汽车，这样成本就可以降低并得到监控，这可能会为新一批车队老板打开大门。

新一代项目从一张白纸开始，从纳斯卡车主、车队和车手的意见开始，他们都在前端权衡，确定了他们希望新车能做什么。他们希望它如何比赛，他们希望它的成本是多少?他们所有的反馈都与设计师分享，然后将这张纸变成一辆工作的赛车。

由于计划在2020赛季开始时推出下一代赛车，纳斯卡在短时间内有很多工程工作要做。万博Ansys LS-DYNA，一个标准的NASCAR模拟解决方案，总是在模拟碰撞测试中发挥一定作用，以减少运行物理碰撞测试的高昂成本(每次测试约50万美元)。然后2020年到来，世界停滞不前。就连NASCAR传统上使用的碰撞测试设施也因为新冠肺炎疫情而关闭了。比以往任何时候都更需要LS-DYNA。

安全第一

“在纳斯卡，安全是我们的首要任务，”普罗布斯特说。“当我们觉得存在安全问题时，我们会解决问题，然后去寻找资金来支付。我不是说钱不是问题，但我们非常重视安全问题，我们会动用一切必要的资源来达到正确的结果。”

确保下一代赛车安全的工作落在了纳斯卡安全工程总经理约翰·帕特拉克的肩上。Patalak在与一家大型汽车制造商合作提高纳斯卡车手碰撞安全的项目时，成为了LS-DYNA模拟的皈依者。LS-DYNA模拟材料对短时间剧烈载荷的响应。

我第一次真正对LS-DYNA模拟工作印象深刻是在2011年，”Patalak说。该项目包括一个模拟人体模型，用于测试汽车的约束系统，包括座椅、肩部支撑和驾驶员躯干周围的肋骨支撑。“坦率地说，我被LS-DYNA和人体模型所能获得的细节水平所震撼——碰撞测试假人根本无法提供这些数据。”

在为NASCAR工作期间，Patalak在维克森林大学损伤生物力学中心读研究生，在那里LS-DYNA是研究对人体高冲击的标准模拟软件。他很快成为了纳斯卡LS-DYNA的冠军。

他的专业知识和对LS-DYNA的信心对于在大流行期间关闭碰撞测试实验室期间取得新一代汽车的进展至关重要。这是第一次，大量的碰撞测试将由模拟来处理。

经过5000多次Ansys LS-DYNA碰万博撞测试模拟，仅用了两次物理碰撞测试就验证了设计的安全性。

LS-DYNA测试

Patalak说:“从第一辆原型车开始，我们就致力于建立一个完整的LS-DYNA汽车模型。”“这使我们能够立即开始评估赛车遇到的所有不同碰撞模式:正面碰撞、车顶碰撞、侧面碰撞、后部碰撞和倾斜碰撞。然后，我们把精力集中在我们想要改变业绩的特定领域，或者我们认为有机会让事情变得更好的领域。”

由于设计在原型阶段变化很快，LS-DYNA特别有助于工程师做出改变，并立即在许多不同的碰撞模式下进行评估。例如，随着项目的进展，团队试图在不同的点上让前夹(汽车框架的前部，当它撞到另一辆车或墙壁时，它会被压碎)产生更多的变形，但他们也想确保这些变化不会在不知不觉中给其他碰撞模式带来负面影响，比如t形骨。

Patalak说:“有了LS-DYNA，我们能够运行所有的碰撞场景，并评估设计变更的影响。”“总的来说，这是一个积极的变化还是消极的变化，或者我们错过了什么?”这些都是你没有资源通过物理测试来做的事情。能够通过模拟来量化这些影响，确实提高了我们对这款新车整体设计的信心。”

在设计过程中，致力于以人为本设计的工程公司Elemance使用全球人体模型联盟(GHBMC)开发的虚拟人体模型，使用设计优化和概率分析软件包Ansys LS-OPT为NASCAR进行了测试。万博LS-OPT采用一种逆向过程，首先指定性能标准，然后根据公式计算最佳设计。

使用LS-OPT进行了数千次缓冲器模拟，很快NASCAR对结果非常满意，他们承诺在没有任何物理碰撞测试数据的情况下制造这些部件。

“这些不是原型零件，而是预生产零件，”帕塔拉克说。“当我们后来终于有机会对它们进行物理碰撞测试时，物理测试和模拟模型之间的验证和相关性是不可思议的。”

让下一代站在起跑线上

在下一代设计项目的过程中，NASCAR和Elemance进行了5000多次Ansys模拟，以确保新车在任何碰撞情况下都是安全的。万博他们在过程的早期开始使用第三方云解决方案，然后在2021年年中切换到Ansys cloud，在微软Azure上运行，以获得单一来源满足其仿真软件需求的好处。万博他们认为，在性能和成本方面，配备44个英特尔至强白金8168处理器内核的hc系列虚拟机是最佳的硬件配置。

根据Patalak的说法，使用单一软件供应商进行模拟的最大优点之一是，您只需致电一家公司来解决出现的任何问题。不怪其他公司。

他表示:“在Ansys Cloud上运行作业的真正好处在于，一切都是内部完成的。万博“我几乎没有遇到什么问题，但只是在一个新平台上启动和运行任何东西，需要一些时间来学习设置、将作业发送到哪个集群、内存设置等。这很好，因为这从来都不是别人的错。周转时间和Ansys客户卓越服务(ACE)团队的支持非常出色——这是一个一站式的故障排除和万博解决方案。”

在超过5000次碰撞测试模拟后，只进行了两次物理碰撞测试就验证了设计的安全性和LS-DYNA模拟结果的准确性。

“从工程的角度来看，我们对Ansys模拟的信心很高。万博物理碰撞测试的结果对我们来说不再是一个惊喜，”帕塔拉克说。

先生们，发动你们的引擎吧!

2022年2月6日，在洛杉矶纪念体育馆(Los Angeles Memorial Coliseum)举行的第一场演示赛上，下一代汽车准备好了吗?这座体育场被改造成了一个四分之一英里的短道赛道。尽管怀疑论者和起起伏伏的设计过程，这是-普罗布斯特的宽慰。

普罗布斯特说:“如果我们没有Ansys万博 LS-DYNA，我不确定下一代汽车是否能在2022年赛季做好准备，因为疫情已经打乱了一切。”

最后，在体育馆举行的比赛取得了成功，并为纳斯卡赛季最受期待的赛事拉开了序幕:每届纳斯卡杯系列赛的序幕——代托纳500。在2月20日举行的比赛中，40辆赛车共发生了23起撞车事故，车手没有受到重大伤害。2月27日在加州丰塔纳举行的汽车俱乐部400赛道(Auto Club Speedway 400)同样取得了成功。

帕塔拉克说:“我们很高兴离开代托纳，因为我们知道，我们期望从建模工作中看到的东西在赛道上发挥了作用。”“在丰塔纳，我们遇到了更多不同类型的事故，结果也很好。结果与我们通过LS-DYNA形成的预期非常吻合，LS-DYNA在真实的赛道碰撞中证明了它的真实性。”

Probst表示同意。

他表示:“从更高的层面来看，我想说的是，我们感觉自己在围绕‘下一代’项目的所有目标方面有了一个非凡的开端。”“还有很多工作要做。我们很高兴，但从不满意。但当你看到我们的一些粉丝指标时，当你问别人“这是一场好比赛吗?”’这些数据现在已经破纪录了，我们认为这对这款车来说是个好兆头。”