纳斯卡的下一代赛车被模拟证明安全

蒂姆•Palucka

纳斯卡在2018年宣布将开发一款名为Next Gen的新型赛车，它将被纳斯卡杯系列赛的所有车队用作平台，这一消息不出所料地引起了一些人的不满，并在车队和这项运动的粉丝中引发了强烈抗议。在设计一款新赛车时，所有的事情都可能出错，为什么要冒险呢?为什么要抛弃工程师、机械师和司机数十年来为优化汽车性能而创造的创新?

但纳斯卡的官员有他们的理由。车迷在赛道上的上座率下降了，在全国汽车赛车协会(NASCAR)旗帜下比赛的库存车现在与从装配线上下线进入世界各地经销商的实际库存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技术，但它们使用的是上世纪六七十年代汽车技术的高度改良版本，多年来工程师们为了更好的性能而不断改进。

纳斯卡赛车创新高级副总裁约翰•普罗布斯特将挑战总结为“相关性”之一。

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(OEMs)和粉丝之间的联系更加紧密。”“困扰我们的一件事是，汽车上的悬挂技术来自20世纪60年代。我们没有很好地跟上汽车工业的发展步伐。因此，我们的赛车车身更像轿车而不是跑车。众所周知，电动混合动力和全电动动力系统给内燃机带来了很大的压力。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和环境现实更加密切相关。”

在赛车的商业方面，拥有一支赛车车队的成本达到了惊人的水平——在八位数的范围内——仅仅是开始一支由几辆赛车、一名车手、一些工程师和机械师组成的适度车队。在纳斯卡有兴趣扩张的时候，这阻碍了新的所有者进入这项运动。Next Gen的计划是让所有车队从相同的供应商订购标准零件来制造他们的汽车，这样可以降低成本和监控成本，也许会为新一批车队老板打开大门。

Next Gen项目从一张白纸开始，从纳斯卡车主、车队和车手那里开始输入信息，所有人都在前端进行了权衡，确定了他们希望新车能够实现的功能。他们想让它怎么跑，他们想让它花多少钱?他们的所有反馈都被分享给了设计师，让他们把那张纸变成了一辆可用的赛车。

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要做。Ansys LS-DYNA它总是在模拟碰撞测试中发挥一定作用，以降低进行物理碰撞测试的高昂成本(每次测试约50万美元)。到了2020年，世界停滞不前。由于新冠肺炎疫情，NASCAR传统上使用的碰撞测试设施也关闭了。LS-DYNA比以往任何时候都更需要。

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，然后寻找资金来支付。我不会说钱不是问题，但我们会非常认真地处理安全问题，动用我们所需的一切资源，以达到正确的结果。”

确保下一代赛车安全的任务落到了纳斯卡安全工程董事总经理John Patalak的肩上。Patalak在与一家大型汽车制造商合作一个项目时，转向LS-DYNA模拟，该项目旨在提高纳斯卡赛车手的碰撞安全性。LS-DYNA模拟材料在短时间的严重载荷下的响应。

我第一次对LS-DYNA的模拟工作印象深刻是在2011年。”该项目包括一个模拟人体模型，以测试汽车上的约束系统，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程度所震撼，而这些数据是碰撞测试假人根本无法提供的。”

在纳斯卡工作期间，Patalak就读于维克森林大学损伤生物力学中心的研究生院，LS-DYNA是研究人体高冲击力的标准模拟软件。他很快成为了LS-DYNA在纳斯卡的冠军。

在大流行期间碰撞测试实验室关闭的情况下，他对LS-DYNA的专业知识和信心对取得下一代汽车的进展至关重要。这是第一次，大量的碰撞测试将通过模拟来处理。

经过5000多次Ansys LS-DYNA碰撞测试模拟，只需要两次物理碰撞测试就可以验证和验证设计的安全性。

LS-DYNA的测试

Patalak说:“从第一辆原型车开始，我们就致力于构建一个完整的LS-DYNA汽车模型。“这立即让我们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、后部碰撞和斜向碰撞。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尤其有助于工程师在许多不同的碰撞模式下做出更改并立即进行评估。例如，在项目进行的过程中，团队试图让前夹(汽车车架的前部部分，当它撞上另一辆车或墙时，它会被压碎)在不同的位置产生更多的变形，但他们也想确保这些变化不会在不知不觉中对其他碰撞模式(如t型骨碰撞)产生负面影响。

“使用LS-DYNA，我们能够运行所有的事故场景，并评估设计更改的影响，”Patalak说。“从整体上看，这是积极的变化还是消极的变化，还是我们遗漏了什么?”这些是你没有资源来做物理测试的事情。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，致力于利用全球人体模型联盟(GHBMC)开发的虚拟人体模型进行以人为中心设计的工程公司Elemance，使用设计优化和概率分析软件包Ansys LS-OPT为NASCAR进行测试。LS-OPT采用了一种逆过程，即首先指定性能标准，然后根据公式计算最佳设计。

使用LS-OPT进行了数千次保险杠模拟，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。

“这些不是原型部件，而是预生产部件，”Patalak说。“当我们最终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Next Gen设计项目的过程中，NASCAR和Elemance进行了超过5000次Ansys模拟，以确保新车在任何碰撞场景下都是安全的。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Microsoft Azure上运行，以获得模拟软件需求的单一来源的好处。他们认为hc系列虚拟机具有44个英特尔至强铂金8168处理器核心，是性能和成本方面最好的硬件配置。

根据Patalak的说法，使用单一软件供应商进行模拟的最大优势之一是，你只需要致电一个公司来解决出现的任何问题。这不能怪其他公司。

他说:“在Ansys Cloud上运行工作的真正好处是，它都是内部的。“我几乎没有遇到什么问题，但只要在一个新平台上启动并运行任何东西，就需要花一些时间来学习设置，以及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。周转时间和来自Ansys Customer Excellence (ACE)团队的支持都非常好——这是一个一站式的故障排除和解决方案。”

经过5000多次碰撞测试模拟，只需要两次物理碰撞测试就可以验证和验证设计是安全的，LS-DYNA模拟结果是准确的。

“从工程角度来看，我们对Ansys仿真的信心是很高的。物理碰撞测试的结果对我们来说已经不再是一个惊喜了。”

先生们，发动引擎!

但是，下一代汽车准备好参加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了吗?这座体育馆是由1 / 4英里长的短道赛道赛车场地改造而成的。尽管怀疑论者和设计过程的起起伏伏，但它确实是——让普罗布斯特松了一口气。

“如果我们没有Ansys LS-DYNA，我不确定下一代汽车是否能在2022赛季准备好，因为一切都被大流行打乱了，”Probst说。

最终，这场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——每届纳斯卡杯系列赛的开赛赛代托纳500拉开了序幕。在2月20日举行的这次调查中，参赛的40辆赛车共发生了23起撞车事故，车手没有严重受伤。2月27日，在加利福尼亚州丰塔纳举行的汽车俱乐部400赛道(Auto Club Speedway 400)也取得了同样的成功。

“我们很高兴离开代托纳，知道我们期望看到的从我们的建模工作发挥在赛道上，”Patalak说。“在丰塔纳，我们发生了更多不同类型的撞车事故，结果也很好。结果与我们通过LS-DYNA形成的预期非常吻合，这在真实的撞车事故中证明了自己的正确性。”

Probst表示同意。

他表示:“从更高的层面来说，我想说，就Next Gen项目的所有目标而言，我们已经有了一个非凡的开端。”“还有很多工作要做。我们很满意，但从不满意。但当你着眼于我们的粉丝参数时，当你问别人“这是一场好比赛吗?”’这些数字现在已经超出了记录，我们认为这对这款车来说是个好兆头。”