การจำลองการชนคือ การจำลอง เสมือนจริงของการทดสอบการชน ที่ทำให้เกิดความเสียหาย ของรถยนต์หรือระบบราวกั้น ทางหลวง โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อตรวจสอบระดับความปลอดภัยของรถยนต์และผู้โดยสารการจำลอง การชน ถูกใช้โดยผู้ผลิตรถยนต์ในระหว่าง การวิเคราะห์ ทางวิศวกรรมโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAE) สำหรับความทนทานต่อการชนใน กระบวนการ ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ในการสร้างแบบจำลองรถยนต์ใหม่ ในระหว่างการจำลองการชนพลังงานจลน์หรือพลังงานการเคลื่อนที่ของยาน พาหนะก่อนการ ชนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานการเสียรูป ส่วนใหญ่เกิดจากการเสียรูปพลาสติก ( ความยืดหยุ่น ) ของวัสดุตัวถังรถยนต์ ( Body in White ) เมื่อสิ้นสุดการชน

ข้อมูลที่ได้จากการจำลองการชนบ่งชี้ถึงความสามารถของตัวถังรถหรือโครงสร้างราวกั้นในการปกป้องผู้โดยสารในรถ(รวมถึงคนเดินเท้าที่ถูกรถชน) จาก การบาดเจ็บระหว่าง การชน ผลลัพธ์ที่สำคัญคือการ เสียรูป (เช่น การบุกรุก ของพวงมาลัย ) ของพื้นที่ผู้โดยสาร (คนขับผู้โดยสาร ) และการลดความเร็ว (เช่น ความเร่งของศีรษะ) ที่พวกเขารู้สึก ซึ่งต้องต่ำกว่าค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ในกฎหมายความปลอดภัยของรถยนต์เพื่อจำลองการทดสอบการชนจริง การจำลองการชนในปัจจุบันจึงรวมถึงแบบจำลองเสมือนของหุ่นทดสอบการชนและอุปกรณ์ความปลอดภัยแบบพาสซีฟ ( เข็มขัด นิรภัย ถุงลมนิรภัยแผงหน้าปัดดูดซับแรงกระแทกฯลฯ) การทดสอบราวกั้นจะประเมินการลดความเร็วของรถและศักยภาพในการพลิกคว่ำ รวมถึงการทะลุผ่านสิ่งกีดขวางโดยรถยนต์

ในช่วงปี 1970 มีความพยายามที่จะจำลองเหตุการณ์การชนของรถยนต์ด้วยระบบสปริง-มวลแบบไม่เชิงเส้น หลังจาก การปรับเทียบซึ่งต้องใช้ผลการทดสอบทางกายภาพแบบทำลายล้างในห้องปฏิบัติการเป็นข้อมูลป้อนเข้า เพื่อกำหนดพฤติกรรมการบดอัดเชิงกลของส่วนประกอบสปริงแต่ละชิ้นในระบบจำลอง อย่างไรก็ตาม การจำลองแบบ " หลักการพื้นฐาน " เช่น แบบจำลององค์ประกอบจำกัดที่ซับซ้อนกว่านั้น ต้องการเพียงแค่การกำหนดรูปทรงเรขาคณิตของโครงสร้างและคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ ( เช่น คุณสมบัติทาง รีโอโลยีของเหล็กตัวถังรถยนต์ กระจก ชิ้นส่วนพลาสติก ฯลฯ) เป็นข้อมูลป้อนเข้าเพื่อสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข

จุดเริ่มต้นของการจำลองการชนรถยนต์ด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้หลักการพื้นฐานในระดับอุตสาหกรรมนั้น มาจาก การใช้งาน ในด้านการป้องกันประเทศอวกาศและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ พลเรือน หลังจากที่ กลุ่ม ESIได้นำเสนอการจำลองการชนโดยอุบัติเหตุของ เครื่องบิน รบ ทางทหาร เข้ากับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เมื่อวันที่ 30 พฤษภาคม 1978 ในการประชุมที่จัดโดยสมาคมวิศวกรเยอรมัน (VDI) ในเมืองสตุทการ์ทผู้ผลิตรถยนต์จึงตระหนักถึงความเป็นไปได้ในการใช้เทคโนโลยีนี้สำหรับการจำลองการทดสอบการชนรถยนต์ที่ทำให้เกิดความเสียหาย (Haug 1981)

ในช่วงหลายปีต่อมา ผู้ผลิตรถยนต์ชาวเยอรมันได้ทำการศึกษาการจำลองการชนที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยจำลองพฤติกรรมการชนของชิ้นส่วนตัวถังรถยนต์แต่ละชิ้น ชุดประกอบชิ้นส่วน และตัวถังรถยนต์แบบครึ่งหรือหนึ่งในสี่ ( BIW ) การทดลองเหล่านี้สิ้นสุดลงด้วยโครงการร่วมของ Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT) ซึ่งเป็นการรวมกลุ่มของผู้ผลิตรถยนต์ชาวเยอรมันทั้งเจ็ดราย ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , PorscheและVolkswagen ) ซึ่งได้ทดสอบความเหมาะสมของรหัสการจำลองการชนเชิงพาณิชย์สองรหัสที่กำลังพัฒนาขึ้น รหัสการจำลองเหล่านี้จำลองการชนด้านหน้าของโครงสร้างรถยนต์นั่งส่วนบุคคลแบบเต็มคัน (Haug 1986) และทำงานจนเสร็จสมบูรณ์บนคอมพิวเตอร์ข้ามคืน เมื่อเวลาในการประมวลผลระหว่างการส่งงานสองครั้งติดต่อกัน (การทำงานของคอมพิวเตอร์) ไม่เกินหนึ่งวัน วิศวกรจึงสามารถเข้าใจพฤติกรรมการชนได้ดีขึ้นและทำการปรับปรุงโครงสร้างตัวถังรถยนต์ที่วิเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและต่อเนื่อง ซอฟต์แวร์ วิศวกรรมช่วยคอมพิวเตอร์ (CAE) กลายเป็นมาตรฐานในการจำลองการทดสอบการชนในเวลาต่อมา การผสานรวมระหว่างการเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning ) และเครื่องมือ CAE ช่วยเร่งความเร็วในการทำงานของซอฟต์แวร์จำลองได้ดียิ่งขึ้น วิศวกรใช้ ML ในการทำนาย:

• ความเร่งของหน้าอกจำลอง^{[ 1 ]}
• การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของหุ่นจำลอง^{[ 2 ]}
• ความเร่งสูงสุดของหน้าอกและเกณฑ์การบาดเจ็บที่ศีรษะ^{[ 3 ]}

การจำลองการชนใช้เพื่อตรวจสอบความปลอดภัยของผู้โดยสารในรถยนต์ระหว่างการชนที่โครงสร้างด้านหน้าของรถในกรณี " การชนประสานงา " หรือ "การชนด้านหน้า" โครงสร้างด้านข้างของรถในกรณี " การชนด้านข้าง " หรือ "การชนด้านข้าง" โครงสร้างด้านหลังของรถในกรณี " การชนท้าย " หรือ "การชนท้าย" และโครงสร้างหลังคาของรถเมื่อพลิควคว่ำในกรณี " การพลิกคว่ำ " การจำลองการชนยังสามารถใช้เพื่อประเมินการบาดเจ็บของคนเดินเท้าที่ถูกรถชนได้ อีกด้วย

การจำลองการชนให้ผลลัพธ์โดยไม่ต้องทำการทดสอบทำลาย จริง กับรถยนต์รุ่นใหม่ ด้วยวิธีนี้ การทดสอบสามารถทำได้อย่างรวดเร็วและประหยัดค่าใช้จ่ายในคอมพิวเตอร์ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับปรุงการออกแบบได้ก่อนที่จะผลิตต้นแบบรถยนต์จริง การใช้การจำลองช่วยให้สามารถแก้ไขปัญหาได้ก่อนที่จะเสียเวลาและเงินไปกับการทดสอบการชนจริง ความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยมของ ผลลัพธ์ ที่พิมพ์ออกมาและการแสดงผลกราฟิกช่วยให้นักออกแบบสามารถแก้ไขปัญหาบางอย่างที่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยหากปราศจากความช่วยเหลือจากคอมพิวเตอร์

การจำลองการชนจำนวนมากใช้วิธีการวิเคราะห์ที่เรียกว่าวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (Finite Element Method ) ปัญหาที่ซับซ้อนจะได้รับการแก้ไขโดยการแบ่งพื้นผิวออกเป็นจำนวนองค์ประกอบที่มากแต่ยังคงมีจำนวนจำกัด และกำหนดการเคลื่อนที่ขององค์ประกอบเหล่านี้ในช่วงเวลาสั้น ๆ อีกแนวทางหนึ่งในการจำลองการชนคือการประยุกต์ใช้วิธีมาโครเอเลเมนต์ (Macro Element Method ) ความแตกต่างระหว่างสองวิธีข้างต้นคือ โครงสร้างในกรณีของวิธีมาโครเอเลเมนต์ประกอบด้วยจำนวนองค์ประกอบที่น้อยกว่า อัลกอริทึมการคำนวณการเสียรูปของโครงสร้างจะขึ้นอยู่กับข้อมูลจากการทดลองมากกว่าการคำนวณจากสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย

โปรแกรม Pam-Crashเริ่มต้นจากการจำลองการชน และเมื่อใช้ร่วมกับLS-DYNAก็เป็นซอฟต์แวร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการประยุกต์ใช้วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (Finite Element Method: FEM) วิธีนี้ช่วยให้สามารถสร้างแบบจำลองโครงสร้างได้อย่างละเอียด แต่ข้อเสียคือต้องการหน่วยประมวลผลสูงและใช้เวลาในการคำนวณนาน ส่วน Visual Crash Studio ใช้ระเบียบวิธีมาโครเอเลเมนต์ (Macro Element Methodology: MA) เมื่อเปรียบเทียบกับ FEM แล้ว มีข้อจำกัดบางอย่างในการสร้างแบบจำลองและเงื่อนไขขอบเขต แต่ไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ขั้นสูง และใช้เวลาในการคำนวณน้อยกว่ามาก ทั้งสองวิธีที่กล่าวมานั้นเสริมซึ่งกันและกัน ระเบียบวิธีมาโครเอเลเมนต์มีประโยชน์ในขั้นตอนแรกของการออกแบบโครงสร้าง ในขณะที่ระเบียบวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ทำงานได้ดีในขั้นตอนสุดท้าย

ในการจำลองการชนโดยทั่วไป โครงสร้างตัวถังรถจะถูกวิเคราะห์โดยใช้การแบ่งส่วน เชิงพื้นที่ กล่าวคือ การแบ่งการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องของตัวถังในเวลาจริงออกเป็นการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเล็กๆ ในช่วงเวลาสั้นๆ การแบ่งส่วนนี้เกี่ยวข้องกับการแบ่งพื้นผิวของชิ้น ส่วน โลหะแผ่น บางๆ ออกเป็นบริเวณ รูปสี่เหลี่ยม หรือสามเหลี่ยม จำนวนมาก (เกือบหนึ่งล้านบริเวณในปี 2549) ซึ่งแต่ละบริเวณครอบคลุมพื้นที่ระหว่าง "จุดเชื่อมต่อ" ที่มุมของมันยึดอยู่ แต่ละองค์ประกอบมีมวล ซึ่งกระจายตัวเป็นมวลแบบรวมศูนย์และเป็นโมเมนต์ความเฉื่อยของมวลไปยังจุดเชื่อมต่อ แต่ละจุดเชื่อมต่อมีองศาอิสระ ทางจลศาสตร์ 6 องศา กล่าวคือ จุดเชื่อมต่อหนึ่งจุดสามารถเคลื่อนที่ในทิศทางเชิงเส้นสามทิศทางภายใต้การแปลและสามารถหมุนรอบแกนอิสระสามแกนได้พิกัดเชิงพื้นที่( x ), การกระจัด ( u ), ความเร็ว ( v ) และความเร่ง ( a ) ของแต่ละจุดส่วนใหญ่จะแสดง อยู่ ใน ระบบพิกัดคาร์ทีเซียนสี่เหลี่ยมสามมิติที่มีแกนX , YและZ

หากจุดเชื่อมต่อเคลื่อนที่ในระหว่างการจำลองการชน ชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อก็จะเคลื่อนที่ ยืด และโค้งงอไปพร้อมกับจุดเชื่อมต่อเหล่านั้น ซึ่งทำให้เกิดแรงและโมเมนต์กระทำต่อจุดเชื่อมต่อ แรงและโมเมนต์ที่จุดเชื่อมต่อเหล่านี้สอดคล้องกับแรงและโมเมนต์จากความเฉื่อย ซึ่งเกิดจากความเร่งเชิงเส้นและความเร่งเชิงมุมรวมถึงแรงและโมเมนต์ที่ส่งผ่านโดยความต้านทาน ของวัสดุโครงสร้างของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อขณะที่เกิดการเสียรูป บางครั้งอาจมีการใช้ แรงภายนอกเพิ่มเติมเช่น แรงโน้มถ่วงจากน้ำหนักของชิ้นส่วนเอง หรือแรงเพิ่มเติมจากมวลภายนอก

แรงและโมเมนต์ของทุกจุดจะถูกรวบรวมไว้ในเวกเตอร์คอลัมน์ (หรือเมทริกซ์คอลัมน์) และสมการการเคลื่อนที่ ที่ขึ้นอยู่กับเวลา (ในสมดุลพลวัต) สามารถเขียนได้ดังต่อไปนี้

${\displaystyle \mathbf {Ma} =\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int}}$

โดยที่เวกเตอร์ (มวลคูณเวกเตอร์ความเร่ง) รวบรวมแรงเฉื่อยที่จุดต่อรวบรวมแรงภายนอกที่จุดต่อ และรวบรวมแรงต้านภายในจากการเสียรูปของวัสดุMคือเมทริกซ์แนวทแยงของมวลที่จุดต่อ แต่ละเวกเตอร์ ( u , v , a , Fเป็นต้น) มีมิติเป็น 6 เท่าของจำนวนจุดต่อทั้งหมดในแบบจำลองการชน (ประมาณ 6 ล้าน “ องศาอิสระ ” สำหรับทุกๆ 1 ล้าน “จุดต่อ” ในแบบจำลององค์ประกอบจำกัดเปลือกบาง 3 มิติ) ${\displaystyle \mathbf {Ma} }$${\displaystyle \mathbf {F} _{ext}}$${\displaystyle \mathbf {F} _{int}}$

การจำลองการชนใช้การแบ่งเวลาออกเป็นส่วนย่อยๆ เพื่อแยกการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องตามเวลาออกเป็นส่วนเล็กๆ ที่ใช้งานได้สมการการเคลื่อนที่ แบบไดนามิก เป็นจริงตลอดเวลาในระหว่างการจำลองการชน และต้องถูกอินทิเกรตตามเวลาtโดยเริ่มจากเงื่อนไขเริ่มต้นที่เวลาศูนย์ ซึ่งก็คือช่วงเวลาก่อนการชน ตามวิธีการอินทิเกรตเวลาแบบผลต่างจำกัด ที่ชัดเจน ซึ่งใช้โดยรหัสการชนส่วนใหญ่ ความเร่ง ความเร็ว และการกระจัดของวัตถุมีความสัมพันธ์กันโดยสมการต่อไปนี้

${\displaystyle \mathbf {a} _{n}=\mathbf {M} ^{-1}(\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int})_{n}}$

${\displaystyle \mathbf {v} _{n+1/2}=\mathbf {v} _{n-1/2}+\mathbf {a} _{n}\Delta t_{n}}$

${\displaystyle \mathbf {u} _{n+1}=\mathbf {u} _{n}+\mathbf {v} _{n+1/2}\Delta t_{n+1/2}}$

ในสมการเหล่านี้ ตัวห้อยn ±1/2, n , n +1 แทนเวลาในอดีต ปัจจุบัน และอนาคตt ตามลำดับ โดยแบ่งเป็นช่วงครึ่งเวลาและเต็มเวลา ด้วยขั้นตอนเวลาและตามลำดับ ${\displaystyle \Delta t_{n}}$${\displaystyle \Delta t_{n+1/2}}$

ระบบสมการเชิงเส้นข้างต้นจะถูกแก้หาค่าความเร่ง, ความเร็ว, และการกระจัด , ณ แต่ละจุดเวลาt ใน ช่วงเวลาที่เกิดการชนวิธีแก้ปัญหานี้ทำได้ง่าย เนื่องจากเมทริกซ์มวลเป็นเมทริกซ์ทแยงมุม เวลาในการคำนวณเป็นสัดส่วนกับจำนวนองค์ประกอบไฟไนต์และจำนวนขั้นตอนเวลาในการแก้ปัญหา ขั้นตอนเวลาในการแก้ปัญหาที่เสถียร , ถูกจำกัดไว้เพื่อความเสถียรเชิงตัวเลขดังที่แสดงโดยเงื่อนไข Courant–Friedrichs–Lewy (CFL) ซึ่งระบุว่า “ในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แบบก้าวเวลาใดๆ ขั้นตอนเวลาจะต้องน้อยกว่าเวลาที่การกระทำที่สำคัญบางอย่างจะเกิดขึ้น และควรจะน้อยกว่าอย่างมาก” ในการจำลองการชน การกระทำที่สำคัญที่เร็วที่สุดคือสัญญาณเสียงที่เดินทางภายในวัสดุโครงสร้าง ${\displaystyle \mathbf {a} _{n}}$${\displaystyle \mathbf {v} _{n+1/2}}$${\displaystyle \mathbf {u} _{n+1}}$${\displaystyle \Delta t}$

ความเร็วของคลื่นความเค้นยืดหยุ่นของแข็งมีค่าเท่ากับ

${\displaystyle c={\sqrt {E_{0}/\rho }}}$

โดยที่คือค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นเริ่มต้น (ก่อนการเสียรูปพลาสติก ) ของวัสดุ และคือความหนาแน่นมวล ดังนั้น ช่วงเวลาที่เสถียรที่สุดสำหรับวัสดุที่กำหนดคือ ${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle \Delta t=d_{min}{\sqrt {\rho /E_{0}}}}$,

โดยที่ระยะห่างที่น้อยที่สุดระหว่างโหนดสองโหนดใดๆ ในแบบจำลองการจำลองการชนเชิงตัวเลขคือ เท่าใด${\displaystyle d_{min}}$

เนื่องจากระยะทางนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในระหว่างการจำลอง ดังนั้นช่วงเวลาที่เสถียรจึงเปลี่ยนแปลงและต้องได้รับการอัปเดตอย่างต่อเนื่องเมื่อการแก้ปัญหาดำเนินไปตามเวลา เมื่อใช้เหล็กค่าทั่วไปของช่วงเวลาที่เสถียรจะอยู่ที่ประมาณหนึ่งไมโครวินาทีเมื่อระยะห่างของโหนดแบบไม่ต่อเนื่องที่เล็กที่สุดในตาข่ายของแบบจำลององค์ประกอบจำกัดอยู่ที่ประมาณ 5 มิลลิเมตร ดังนั้นจึงต้องใช้ช่วงเวลามากกว่า 100,000 ช่วงในการแก้ปัญหาเหตุการณ์การชนที่กินเวลาหนึ่งในสิบของวินาที ตัวเลขนี้เกินกว่าที่กำหนดในแบบจำลองการชนทางอุตสาหกรรมหลายแบบที่ต้องการตัวแก้ปัญหาการชนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดด้วยคุณสมบัติการประมวลผลประสิทธิภาพสูง ( HPC ) เช่นการใช้เวกเตอร์และการ ประมวลผลแบบขนาน

• วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ในกลศาสตร์โครงสร้าง
• การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด
• การทดสอบการชน