Simulacija sudara

Uz pomoć moćnih računara i odgovarajućeg softvera ostvaruju se velike uštede pri testiranjima automobila na sudare

Pre desetak i više godina jedini način da se ostvare koliko-toliko pouzdani rezultati testiranja različitih modela automobila bio je da se vrše testiranja na pravim modelima i to na posebno pripremljenim poligonima. U većini slučajeva bilo je potrebno uraditi nekoliko testova istog modela, kao i sa različitim scenarijima sudara. Možete li zamisliti koliko je to samo koštalo? Ponekad se za samo jedno testiranje potroši čak 50 do 80 hiljada evra! Ako, takođe, uzmemo u obzir da se na tržište veoma često izbacuju novi modeli automobila, nije teško pretpostaviti koliki se novac troši u ove svrhe. Međutim, savremeno računarstvo je upravo u polju testiranja na auto-nezgode uspelo da dokaže svoju efikasnost i da ostvari ogromene uštede uz pomoć svojih računarskih simulacija.

SMAC

Pokušaji računarskog simuliranja auto-nezgoda datiraju još iz šezdesetih godina prošlog veka kada su pioniri u ovom polju kreirali, u to vreme veoma moćan, softver pod imenom SMAC koji je potekao iz aeronautičke laboratorije „Cornell”. Kasnije je ovaj program bio poznat pod imenom Calspan.

Istraživači pri ovoj laboratoriji želeli su da stvore matematički model koji bi odgovarao realnim deformacijama materijala, pri različitim vrstama udesa, a sve je pokrenuto sa ciljem ostvarenja bezbednijih automobila radi očuvanja ljudskih života. Istraživači su nastojali da razviju odgovarajuće algoritme koji će im pomoći u ostvarenju što realnijih rezultata, ali kada se uzme u obzir da pri ovakvim testiranjima postoji velik broj mogućih scenarija, jasno je da to nije bio lak posao.

U principu, sama matematika nije bila problem jer posvećen i vredan ljudski um može mnogo toga da postigne, već su osnovni problem bili, jednostavno rečeno, suviše slabi računari. U algoritme koji su u srcu ovih programa nećemo ulaziti, ali ćemo zato nešto reći o načinu korišćenja ovog softvera u svrhe testiranja.

Softver za ovu vrstu testiranja bio je pokretan na mejnfrejm mašinama. Mnogi danas ni ne znaju kako su ta čudovišta izgledala. Ti računari koristili su magnetne trake, bili su ogromni i strašno skupi, a najgore od svega je da bi ih današnji Pentium ostavio daleko iza sebe po performansama.

Ovde dolazimo do jednog paradoksa. Pre više decenija ne samo što nije bilo moguće vršiti auto-testiranja zbog nerazvijenog softvera i slabih računara, već je bilo jeftinije raditi obična, klasična testiranja! Cene angažovanja tadašnjih računarskih centara kao i samih računara bile su ogromne.

Jeftini virtuelni testovi

Kako se vremenom usporavao ekonomski razvoj, postajalo je sve bitnije ostvariti uštede u svim oblastima. Pojavili su se i savremeni računari velike procesorske moći, tako da je konačno bio ostvaren san automobilske industrije – sprovesti veliki broj testova po svim mogućim scenarijima, ali bez velikih troškova.

Koje su interesne grupe zainteresovane za rezultate auto-testova? Šta one žele da postignu? Ako ovo shvatimo, razumećemo zašto se investira novac u savremene superračunare za auto-testiranja.

Na prvom mestu, za bezbednije automobile zainteresovani su sami proizvođači. Kvalitet njihovog rada pomno se prati. Pojedini modeli bivaju preporučeni kao bezbedni od strane nezavisnih organizacija, a time im je obezbeđena i bolja prodaja.

U drugu grupu zainteresovanih spadaju osiguravajuća društva, jer za modele automobila koji su manje bezbedni klijenti plaćaju više na ime osiguranja.

Treća grupa su razne vladine organizacije koje žele da smanje stopu smrtnosti i teških povreda u saobraćajnim udesima, jer se na taj način smanjuje opterećenje državnog budžeta. Možda to izgleda grubo, ali invalide iz auto-udesa nesposobne za samostalan život neko mora da izdržava. Očigledno da je i u ovoj oblasti interes bio jedan od najvećih motiva. Sve ovo pokazuje da postoji veliko interesovanje za investiranje u računare i opremu za računarske simulacije udesa.

Testiranja počinju da se vrše već u ranoj fazi projektovanja određenog modela automobila. Na računarskom modelu odmah mogu da se vide slabe tačke zamišljene konstrukcije i upotrebljenog materijala. S tim saznanjima konstruktori mogu čak i pre realizacije prototipa da izbegnu većinu nepotrebnih troškova koji bi u suprotnom bili otkriveni tek dosta kasnije, pa se tako skraćuje i vreme razvoja.

Potreban je superračunar

Danas u savremenim laboratorijama za računarska testiranja automobila na sudare postoji nekoliko pristupa koji su u opštem smislu vrlo slični. Pojedini istraživači smatraju da su njihove metode superiornije u odnosu na druge, u smislu dobijanja što realnijih rezultata. Realnost dobijenih rezultata zavisi od dva faktora: usavršenosti softvera koji će simulirati fizički događaj sudara i neophodnom detaljnom unosu svih potrebnih parametara. Savršeniji softver, kao i potreba za većom verodostojnošću, zahteva i računare veće procesorske snage, koji obezbeđuju rezultate u kraćem vremenskom roku, a bolja priprema zahteva više rada ili veći tim.

Poznati evropski proizvođač automobila „Volvo” kupio je 1999. godine NEC-ov superračunar SX-4 sa četiri proscesora i 2 GB brze radne memorije. Na ovom računaru koristi se specijalni softver za ove namene pod imenom Radioss. Iako ovaj superkompjuter već sada ne izgleda baš tako „super”, s obzirom na to kako se hardver brzo razvija, „Volvo” je pomoću njega dobio mnoge zadovoljavajuće rezultate.

Jedan od tih rezultata jeste da je vreme za razvoj modela petostruko skraćeno, a troškovi su svedeni na deseti deo. Računar je omogućio veliki broj testova, što je rezultovalo mnogim poboljšanjima na samom modelu. Konkretno, laboratorija „Volvo” je sa računarom NEC SX-4 bila u stanju da obavi pet do šest testiranja u toku jednog radnog dana.

S ključem u ruci

Prilikom virtuelnih testiranja postoji nekoliko scenarija koji predstavljaju neku vrstu standarda; virtuelni test sa direktnim sudarom dva vozila, bočni sudari, udari od pozadi, prevrtanja i udari u predmete i branike pored puta. Sem ovih osnovnih scenarija rade se i specifični modeli za specijalne potrebe.

Savremeni softver za ove vrste testiranja urađen je tako da oponaša fizičke procese i na prvi pogled podseća na program koji bi bio kombinacija AutoCAD-a i nekog programa za 3D animaciju. Jedan ovakav softver je i DYNA3D koji se razvija i koristi na mnogim univerzitetima.

Iako programi za simulaciju auto-udesa funkcionišu na sličnim principima kao i programi za 3D animaciju, daleko su manje atraktivni za učesnike i posmatrače. Kratkoj vizuelnoj sekvenci u kojoj se vidi konkretna simulacija prethodi dug i naporan put pripreme. Jednostavno, akcenat je na što većoj podudarnosti sa realnim fizičkim procesima.

U nekim laboratorijama za virtuelana testiranja, radi što veće tačnosti, čitav posao započinje sa francuskim ključem u ruci. Tako je, recimo, „Američka nacionalna laboratorija” iz Ouk Ridža započela svoja virtuelna testiranja modela „Fordovog” modela Explorer. Tim istraživača kompletno je rastavio novi automobil, ispitao i izmerio svaki njegov deo s preciznošću od dva grama. Na ovaj način je virtuelni model Ford Explorera mnogo realniji i simulacije daju preciznije rezultate.

Posle ovakve fizičke obrade sledi unošenje parametara, a formulari u okviru programa za simulaciju veoma su precizni i brojni i često su podeljeni u određene celine: šasija, motor, otvori sa staklima, kabina, sistem za kočenje itd. Svaka od ovih grupa ima veliki broj podgrupa i parametara koje treba uneti i definisati: vrsta materijala, njegova težina, otpor na kidanje...

Posle ovog napornog posla dolazi gradnja samog modela koja podseća na izradu modela u recimo programu 3D Studio, i tek na kraju dolazi zabava kada se postavlja sam scenario udesa.

Naravno, čitava ova stvar nije igra i posle izvedene simulacije neophodno je analizirati dobijene rezultate i doneti odluke o poboljšanju dizajna.

Potrebni su teraFLOPSi

Bilo da su virtuelna ili prava, cilj svih ovih testiranja je da se postigne da kabina sa putnicima nakon sudara ostane što manje oštećena. Stručnim jezikom simulatora auto-udesa, ovo se zove „sigurnosni kavez”. Prilikom udesa je potrebno da što veći deo energije sudara bude „razliven” i da se ostvari što manji prodor u kabinu.

Savremena auto-industrija sve više proizvodi automobile od alternativnih materijala, jer su na taj način oni znatno lakši nego ranije i samim tim troše manje goriva. Međutim, neophodna su testiranja brojnih novih modela i računari ovde stupaju na scenu.

Jedan od najsvežijih primera jeste kupovina deset IBM-ovih superračunara p690 od strane „General Motorsa”, poznatog proizvođača automobila. Ovi računari, bazirani na Unixu, jednom od najstarijih i najstabilnijih operativnih sistema, biće raspoređeni po različitim fabrikama ovog diva auto-industrije i neki primerci će se naći i u Evropi. Svaka od ovih deset aždaja ima po 32 procesora koji rade na brzini od 1,3 GHz i imaju po 2 GB radne memorije. Cena svakog je 2,1 milion dolara. Računari će biti međusobno povezani putem specijalnih brzih veza i kada ceo sistem bude uspostavljen, po zbirnoj snazi (2,3 teraFLOPS-a) biće deveti u celom svetu. Ovom kupovinom „General Motors” je postao proizvođač automobila s najmoćnijom računarskom opremom za testiranja u svetskoj auto-industriji. Ovaj sistem omogućiće scenarije testiranja koji bi inače bili nemogući bez ovako snažnih računara.

Na kraju i ovde dolazimo do još jednog paradoksa – doskora je testiranje automobila na računarima bilo vredna dopunska metoda klasičnom testiranju, a sada imamo situaciju da neverovatno snažni računari postaju najvažnije sredstvo, jer određene stvari samo s njima mogu da se postignu.

Virtuelni putnici

Poseban segment virtuelnog testiranja sudara automobila jeste pokušaj da se simulira ono što se dešava s putnicima u kabini. Podružnica „General Motorsa” u Australiji sprovela je prvi u nizu računarskih testova sa „virtuelnom glavom” putnika. Da bi uopšte mogao da se kreira računarski model glave za testove u sudarima, bilo je neophodno da se prethodno obave testovi s lutkom da bi se izmerile sve vrednosti kinetičke energije i drugi prisutni parametri. Takođe su prikupljeni podaci o povredama ljudi u stvarnim auto-nezgodama.

Na osnovu svih ovih podataka stvoren je virtuelni model ljudske glave na kome se prate sve promene tokom različitih testova na sudar automobila. Cilj je da se ispita kako dolazi do povreda mozga u sudarima i da se na osnovu toga pronađu rešenja koja će doprineti manjem broju povreda glave u stvarnim sudarima.

Na univerzitetu u Vejnu, SAD, još 1990. godine je bio stvoren prvi računarski model glave, ali je tek sada snaga superračunara dostigla granicu pri kojoj je moguće stvoriti mnogo preciznije modele koji su neophodni radi postizanja vernih rezultata testiranja.

Računarski model glave sastavljen je od 300.000 elemenata od kojih svaki predstavlja pet kubnih milimetara tkiva i dodeljeni su mu različiti parametri, zavisno od toga u kom se delu glave nalazi. Na osnovu različitih scenarija udesa, a pri određenim različitim silama koje deluju tokom sudara, računarski model uz pomoć softvera precizno pokazuje i predviđa sve moguće povrede glave i mozga.

Trenutno je zbog ograničenja softvera i hardvera moguće precizno pratiti samo računarski model ljudske glave, ali u ovoj laboratoriji se nadaju da će u budućnosti moći da stvore virtuelni model celog ljudskog tela koji će u računarskim testovima auto-sudara precizno pokazivati sve moguće povrede celog tela.

Brojna računarska testiranja u ovoj oblasti na kraju se svode na rejting bezbednosti različitih modela automobila. Ovo se može videti na različitim Web sajtovima. U Evropi se ocene bezbednosti predstavljaju zvezdicama – od jedne zvezdice za najmanje bezbedne modele, do četiri za najbezbednije. Rezultate testiranja za mnoge svetske modele automobila možete naći na adresi www.crashtest.com.

DYNA3D

U današnje vreme jedan od najpopularnijh programa za ovu svrhu jeste već pomenuti LS-DYNA3D. Postoji više derivata ovog programa za različite namene, a osnovna funkcija mu je da simulira fizičko ponašanje stvarnih 3D struktura pri različitim uticajima.

Ovaj softver može da se nabavi u različitim verzijama: za PC kao i za Unix i slične operativne sisteme i različite superračunare. Međutim, potrebni su mu i različiti softverski alati za pripremu i postprocesiranje podataka, kao što su ViewTech GLview, (www.viewtech.no), CEI ENSIGHT, (www.ceintl.com) i slični.

Cena programa LS-DYNA3D u osnovnoj verziji iznosi 5000 dolara. Dobra vest je što se simulacije manjeg obima mogu zadovoljavajuće izvesti i na solidnijem PC računaru, tako da i siromašnije laboratorije mogu da brže napreduju u svojim istraživanjima.

• • •

Kada sledeći put sednete za volan automobila, pomislite na to u kojoj je meri testirana njegova bezbednost i ako zaista želite da saznate koliko ste sigurni u njemu, posetite pomenuti Web sajt. A Yugo? Njega tu nećete naći.

Mirko PERAK