VPG(Virtual Proving Ground)技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。VPG软件是ETA在对各大汽车厂商(如FORD、GM、DAIMLERCHRYSLER、KIA等)近20年合作的过程中,积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验而开发出的整车仿真软件。应用范围包括汽车碰撞及安全性分析,NVH分析,汽车耐久性分析,汽车子系统和部件分析等等。

       1、 汽车碰撞及安全性分析

                 a）内置碰撞标准法规,包括美国的FMVSS标准和欧洲的ECE标准

                 b）方便的假人定位方式

                 c）简单的安全带生成方式

                 d）用户可以通过step-by-step的方式,简单方便生成乘车模型

    2、 结构动力学分析

        a）汽车操控性能和悬挂性能分析

        b)    转向时车辆的抗侧翻能力分析

        c）PG技术是汽车动力学分析理想的仿真技术

    3、  NVH分析

        a）  用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎库

        b）  接头刚度、整车模态与刚度分析

        c）  整车振动、噪音和舒适性分析

    4、  汽车耐久性分析

        a）VPG的路面库

        b）专门用于Fatigue分析的求解器

    5、   汽车子系统和部件分析

Airbag Folding

•           任意折叠

                  使用PreSys方便定义DAB的折叠。

          

    

•      安全气囊在塑料支架里的展开

        LS-DYNA除了具有强大的结构动力分析模块外，还具有强大的流体与固体相互耦合的功能，广泛应用于各种爆炸（水下、空中、建筑物和土壤中）、气囊展开、罐内液体晃动等分析中。下面详细讨论一下LS-DYNA的各种算法以及ALE-FSI（流固耦合）功能。

                                                                    图1 各类算法示意图

        LS-DYNA程序具有Lagrange、Euler和ALE算法，算法示意图如图1所示：Lagrange算法的单元网格附着在材料上，随材料的流动而产生单元网格的变形。但在结构变形过于巨大时，有可能使有限元网格产生严重畸变，引起数值计算的困难，甚至程序中止计算。

       ALE（Arbitrary-Lagrangian-Eulerian）算法和Euler算法可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体、固体耦合的动态分析。如图1所示，Euler算法是两层网格重叠在一起，一个是空间网格固定在空间不动，另一层附着在材料上随材料在固定的空间网格中流动，并通过下面两步实现：首先，材料网格以一个Lagrange步变形，然后Lagrange单元的状态变量被映射或输送到固定的空间网格衷曲，从而处理液体流动等大变形问题。

       ALE算法也是两层网格重叠在一起，但空间网格可以在空间任意运动。算法先执行一个或几个Lagrange时步计算，此时单元网格随材料流动而产生并行，然后再执行ALE时步计算：（1）保持变形后的物体边界条件，对内部单元进行重分网格，网格的拓扑关系保持不变，称为Smooth Step；（2）将变形网格中的单元变量（密度、能量、应力张量等）和节点速度矢量输运到重分后的新网格中，称为Advection Step。用户可以选择ALE时步的开始和中止时间，以及其频率。

       如图2所示的泰勒杆冲击问题，如果采用Lagrange算法，由于涉及到高速冲击，在泰勒杆头部由于单元变形剧烈，很可能造成单元网格的畸变，从而造成数值计算的困难，甚至计算的中止。而采用ALE算法，由于变形过程中网格的重划分和光滑功能，使得单元变形比较光滑、均匀，避免了网格畸变的发生。

       LS-DYNA还可将Euler网格与全Lagrange有限元网格方便地耦合，以处理流体与结构在各种复杂载荷下的相互作用问题，即ALE-FSI。这里FSI指Fluid-Structure Interaction，意为流固耦合。如图3所示，通常情况下，类似子弹侵彻钢板等问题，各构件宜采用Lagrange算法，比较容易获得结构变形后的破坏界面。类似炸药在水中、空气中爆炸问题，因为只涉及到各类流体物质，宜采用ALE算法求解空间某点超压问题。而类似水下爆炸对圆筒结构的破坏问题，这就需要设计流体和固体之间的相互作用问题，则需要用到ALE-FSI（流固耦合）算法。计算过程中把水、炸药、空气介质设置成ALE网格，圆筒结构设置成Lagrange网格，通过定义它们之间的流固耦合，即可解决类似水下爆炸对结构的毁伤问题了。

                                                          图4  VPG的ALE-FSI 爆炸模块

        如图4所示，现在VPG 3.3程序中集成了ALE-FSI爆炸模块，它是计算涉及爆炸等军工问题的专业模块。利用这个模块CAE工作者可以比较方便处理类似爆炸载荷下的武器设计、结构破坏及动态相应等流固耦合问题，它能比较方便的进行炸药、土壤、空气、水等ALE模型的生成和网格的划分，同时也比较方便地定义ALE各种材料的材料参数、状态方程和流固耦合的定义，在这个模块下可以直接定义ALE的控制选项卡，直接输出命令文件而不需要任何修改，最后计算后还可通过ETA公司的ETA/POSTPROSESSOR软件进行后处理。

       在VPG/LS-DYNA程序中ALE和Euler列式有以下功能：

       1). 多物质的Euler单元，可达20种材料； 
       2). 若干种Smoothing算法选项； 
       3). 一阶和二阶精度的输运算法； 
       4). 空白材料；      5). Euler边界条件：滑动或附着条件； 
       5). 声学压力算法； 
       6). 与Lagrange列式的薄壳单元、实体单元和梁单元的自动耦合  

       传统算法上，LS-DYNA使用Lagrange，Euler以及ALE算法可以精确模拟高速瞬态大变形问题。多物质的ALE方法可以实现流固之间的耦合。在网格畸变处理上，LS-DYNA的Lagrange自适应网格以及重划分网格技术可以处理由于大变形引起网格畸变而引起的求解困难。Euler算法可以处理任意网格的变形，ALE算法中的Euler步可以自动优化网格。另外通过定义材料实效可以删除由于大变形引起的网格。

       ALE-FSI在兵器行业的应用

      常规兵器行业包括以下几类结构与产品：

       坦克、装甲车辆行业，导弹设计与优化，火炮行业，轻武器行业，弹药行业和军用光电、电子行业。

      常规兵器工业的发展趋势呈现以下特点：

      1) 常规兵器工业将会继续进行结构调整，制造技术和加工手段将日益精良；

      2) 常规兵器科研和生产领域的国际合作将不断加强，各国军品出口政策将更加灵活，世界军火市场的竞争将更加激烈

计算机辅助工程(CAE)技术，可以替代大量的传统物理试件和试验，可以帮助设计者更快捷更容易地判断兵器产品的功能、性能及各种战术指标的满足情况。CAE 也可以帮助决策者在兵器产品设计早期，依据科学预测和数值分析提高设计的决策水平和能力。通过引入CAE 技术到兵器设计中，可以获得以下效益：

        1．CAE 仿真可有效缩短新产品的开发研究周期，大幅度地降低产品研发成本。因为兵器行业中弹药与目标的原尺寸实验费用昂贵，获得的实验数据十分有限有的甚至不可能进行试验。利用LS-DYNA 进行分析可以缩短研制周期节省研制经费。

        2．虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数，能够精确的预测出产品的性能和战术指标，以设计出高质量的产品。军工的试验大都涉及到爆炸、冲击，而这类试验都是不可重复的，同时爆炸、冲击试验试验数据的测试非常困难，而利用CAE仿真技术，不但可重现试验现象和过程，而且比较容易得到一些试验数据，还可以解释一些试验现象；

        3．可以在研制初期阶段就发现方案中可能存在的不合理现象，及早发现问题，以便及早处理；

        4．各用户 ( 包括武器装备的研制部门、采购部门、训练部门和军事使用部门 ) 可在合成环境中按需要综合应用各种仿真手段进行演习、训练和试验，鉴定现有的和研制中的武器装备的性能、战术部署和后勤保障。

        因此，如今在武器装备研制生产过程中，已规定将仿真系统列为必需的装备。目前军工行业较为关注如下几个方面：

      （1）装甲和反装甲的优化设计 
      （2）高速动态载荷下材料的特性（3）地面爆炸效应，对建筑物采取防护措施，并建立风险评估 
      （3）防护结构在爆炸载荷下的抗爆分析 
      （4）内弹道仿真 
      （5）水下爆炸对舰船的毁伤评估（7）战斗部设计及优化

       利用VPG/LS-DYNA软件的ALE-FSI（流固耦合）方法对上述几个方面都可以进行相关的数值仿真。

        在eta/VPG 3.3中，包括可应用汽车及航空航天等行业中的各类假人。在此文档中我们仅以应用在航空航天中，用来测试航空座椅的FAA HYBRID III假人作为实例。FAA HYBRID III假人是依据FAA法规中用来验证航空座椅的相关规定来验证假人的。在验证过程中，座椅为刚性结构，是为了减小座椅性能的影响，如动态刚度，塑性变形等等。

       FAA HYBRID III假人的动态冲击模拟是为了研究假人在冲击中的各种各样的响应。在冲击模拟中刚性座椅有两种定位，一种是60º定位，看图1；另一种是0º定位，看图2。因此，对于FAA HYBRID III假人的模拟测试即包括：2点安全带在0º模拟，2点安全带在60º模拟，3点安全带在0º模拟和4点安全带在0º模拟。在这里，我们仅以4点安全带在0º模拟为例来展示假人的验证过程，并且把得到的响应的模拟结果与实验结果进行相比较。

        FAA Hybrid III假人4点安全带在0º模拟，下表概述了在模拟期间获得的FAA HYBRID III假人的各种响应。

       下图是FAA HYBRID III假人4点安全带在0º的有限元模型和在整个模拟过程中，刚性座椅定义了加速度脉冲。

        如下所示的是模拟结果和实验测试结果的响应，其中实验测试结果包括来自与HYBRID II 和FAA HYBRID III的各种响应。红色曲线代表的是FAA HYBRID III的模拟结果，蓝色和粉色代表的是FAA HYBRID III的实验测试结果，而绿色和黑色代表的是HYBRID II的实验测试结果。

      这里，我们仅以头部重心合成加速度和左膝安全带力为例。

      1. 头部重心合成加速度

      图6显示的是头部重心合成加速度和时间的相关曲线。其模拟结果的峰值加速度是54.1Gs。

      2. 左膝安全带力

     图7显示的是左膝安全带力和时间的相关曲线。其模拟结果的峰值力是7590.3N。

       如上所有图示显示，假人模拟测试结果和实验测试结果相吻合的很好。FAA HYBRID III假人及ETA的其他假人模型存在于ETA/VPG软件中，可一起随着假人定位工具和安全带建模工具使用。

        VPG/ Prepost 是一款高效，快速生成模型的工具。使用VPG的前后处理模块可以对复杂模型进行几何处理，自动划分网格，自动生成焊点等功能：

      1、完善的网格生成和有限元模型装配工具：

                    1）与CAD的接口：支持Rro/E,UG,CATIA,IGS,VDA.

                    2）高效的网格自动划分能力以及自动焊接能力

                    3）完美的有限元求解器接口：支持LS-DYNA,NASTRAN,MD/Nastran,  

               Radioss,PAMCRASH 和ABAQUS 求解器。

    2、网格质量控制工具：

                 1) 鼠标按键控制；

                 2) 失败单元的节点重组；

                 3) 网格质量检查工具：翘曲度，雅可比，法向方向，角度，单元尺寸等；

                 4）穿透检查及修复；

    3、拓扑网格自动生成工具：自动修复面间隙，重复面以及内孔填充。

    案例1 门外板网格生成

           1) VPG的自动网格生成能力

           2) 零件内孔填充能力

           3) 零件内部间隙填充能力

    4、实体网格生成工具：支持四面体（4节点，10节点），六面体（8节点）单元类型。

    案例2 曲轴实体

    1）VPG实体网格生成能力

    2）实体网格的生成过程

    3）控制网格质量方法

    5、完整的材料类型库；

          VPG/Prepost可以快速方便的定义LS-DYNA的材料关键字，并赋予相关零部件。

    6、材料厚度计算工具：使用一步成型法可以预测钣金成型后的厚度。

    7、方便定义结构的边界条件

          VPG/Prepost中可以方便的定义约束、初始条件，载荷边界等边界条件。

    8、定义部件之间的接触

    9、定义计算结果的输出

    10、运用后处理评价分析计算结果

    整车以及零部件的耐久性分析/疲劳评估

    1、时域瞬态应力应变；

    2、VPG疲劳分析工具包括：

         1) 多种材料类型；

         2) 支持用户自定义材料；

         3) 支持输出结果文件，使用其他疲劳软件分析；

         4)b支持系统中关键零件的耐久性分析；

         5) 支持多点激励，不同载荷应力结果，使用Miner线性准则计算损伤累积。

    案例：控制臂结构件疲劳分析

                 零件的疲劳分析步骤方法                                           疲劳结果寿命评估

       VPG的safety模块包括一系列工具库：包括假人库，壁障库等。提供一系列碰撞设置流程向导。包括MFVSS，ECE，IIHS相关法规。

        1. VPG安全模块的方便性

            1) 方便模型的开发更新

            2) 兼容的模型和分析流程

            3) 减少建模工作量，节省时间；

            4) 可以实现碰撞和行人保护仿真

       2. 碰撞工具库

           1) 假人库：包括SID和EUROSID 假人模型，hybrid Ⅲ 假人模型

           2) 壁障：FMVSS/ECE 侧撞壁障，0度前撞刚性墙，30前撞刚性墙，偏置前撞壁障，后撞壁障。

      3. 车辆碰撞方法

      1) MVSS美国规则： 侧门侵入量，0度/30度刚性墙，车顶压溃，70％变形壁后撞。

           2) ECE欧洲法规：40％偏置前撞，后撞。

           3) 保险公司法规要求。刚性柱前撞，刚性柱侧撞等。

    4. 行人保护设置

        1) 自由无约束头撞

        2) 安全带约束保护

        3) 儿童约束系统保护

        4) 台车测试

        5) 膝盖挡板测试

        6) 方向盘控制系统测试

        7) 行李箱测试

        8）安全带测试

        9）行李箱侵入测试

       10）方向盘测试

    5. 气囊的折叠

          1) 提供典型的气囊折叠类型

          2) 折叠过程可以被保存，可以使用相同的折叠方法重复折叠。

          3) 包括滚动，螺旋等折叠方法。