仿真助力NASCAR评估比赛中SAFER防撞墙的冲击影响

这是“Ask the Engineer”（向工程师提问）系列博客中的第一篇。了解Ansys如何帮助NASCAR工程师提高防撞墙的安全性。

在改装赛车（stock car）比赛中，一位车手的战术可能会意外导致其他车手出局。这一情况恰好发生在10月的塔拉迪加（Talladega）超级赛道上，当时Alex Bowman的一个过于激进的推进动作导致Ryan Blaney在后面撞车，

使Blaney的赛车快速撞向了SAFER（钢合成泡沫材料能量吸收）防撞墙，从而严重影响了他赢得2024年冠军称号的机会。平均而言，NASCAR赛车有可能达到时速190到200英里，但由于赛道周围安装了这些拯救生命的内外部防撞墙，Blaney得以从这个混乱的场景中平安脱身。

那么，这要归功于运气还是工程技术？还是两者兼而有之？在这种情况和许多其他情况下，SAFER防撞墙（也称为软墙）发挥了决定性的作用。

SAFER防撞墙由垂直堆叠的8英寸方形结构钢管焊接而成，形成了20多英尺长、40英寸高的模块。这些模块由内部的钢接头连接在一起，以构成墙壁，通常被放置在混凝土护墙的前面。固定带起到了固定作用，把SAFER防撞墙连接在后方的混凝土墙上。梯形泡沫块被放置在混凝土墙和钢制墙之间，用于吸收和管理撞击能量。

几年前，我们根据汽车黑盒数据进行了一项统计研究。我们提取了大约10年的数据，以了解不同系列赛事中可认定为碰撞的车辆接触事件的数量。公平起见，我们选择按每英里赛道的撞车次数来衡量，因为赛事的赛道长度可能是250英里，也可能是600英里。同时，我们还需要考虑赛道的布局和配置以及其他事项。

根据这些数据，我们发现，该时间段内的全职NASCAR车手，他们行驶每英里时的碰撞几率比日常道路驾驶中高出了134倍。但是，这些车手每次碰撞时受伤的几率却减少了9倍以上。也就是说，他们碰撞的频率更高，但每次碰撞受伤的几率却要低得多。

SAFER防撞墙如何支持NASCAR的整体安全策略？

Patalak：NASCAR安全策略中包含了多个组成部分，如碰撞数据的黑盒，车手约束装置（包括全罩式头盔、头部和颈部支撑（HANS）装置、改良的安全带和座椅）以及耐撞的车辆设计等。而SAFER防撞墙是NASCAR安全策略不可或缺的一部分，其在减轻车辆撞击赛道护墙的冲击力方面发挥了巨大作用。

SAFER防撞墙系统实际上是由内布拉斯加大学林肯分校（UNL）的Midwest Roadside Safety Facility（MwRSF）开发，并得到了IndyCar和NASCAR的支持和资助。LS-DYNA软件被用于优化或调整护墙，以减轻车辆在撞击部分护墙时的质量和速度。直至今日，我们仍在使用LS-DYNA软件，试图在整体设计中探索更多可改进之处。

赛车撞到SAFER防撞墙时会发生什么情况？

Patalak：设想一下，假如赛车以150英里/小时的速度驶向护墙——无论是混凝土护墙或SAFER防撞墙。当汽车撞到护墙时，就会开始减速。当汽车离开护墙时，赛车的速度已发生了变化，比方说，它现在的速度已减小到每小时100英里。无论碰撞到的是混凝土墙还是SAFER防撞墙，车辆所需承受的速度变化量是相同的——本案例中为每小时50英里。

SAFER防撞墙如此有效的原因是，它在碰撞过程中会发生位移，就像赛车在撞击时会通过溃缩来吸收能量一样。在这两种情况下，我们都会增加速度发生变化的时间，而赛车撞向SAFER防撞墙时速度变化50英里所需的时间比撞击混凝土墙时的时间要长，因为混凝土墙不会发生位移。碰撞过程中的车辆加速度会直接影响车手身上所受的力。通过延长车辆在碰撞时速度变化的时间，SAFER防撞墙可以非常有效地减少汽车和车手所感受到的峰值加速度。加速度越小，车手身上受到的力就越小。

LS-DYNA软件如何能够帮助改进防撞墙设计？

Patalak：我们已经使用LS-DYNA软件来研究SAFER防撞墙设计，以及如何在赛道上加以实施。我们偶尔会在周末比赛，与其他系列赛事共享赛道。其他系列赛事的车辆可能比NASCAR赛车轻得多，或者速度更快，因此其对SAFER防撞墙的冲击条件与NASCAR赛车截然不同。

去年，我们使用了LS-DYNA软件来研究不同速度下的各种撞击角度，以优化防撞墙的缓冲性能，并尽可能增加其变形位移。通过与Elemance LLC和UNL MwRSF合作，我们首次在洛杉矶纪念体育馆（Los Angeles Memorial Coliseum）进行了这项分析，这是本赛季的一场热身赛——NASCAR Busch Light Clash at the Coliseum。

该赛事中，赛道更短，而且速度更低。通过分析撞击角度，我们去除了SAFER防撞墙内一半的泡沫块，以优化SAFER防撞墙，而无需进行昂贵的物理测试。

您能否分享一下在工作中使用LS-DYNA软件的一些好处？

Patalak：根据我们获得的仿真数据，我们对该软件信心十足。我们现在可以开始研究以前因测试成本过高而难以进行的其他问题，比如泡沫块的间距调整。如果没有LS-DYNA软件，这是一种无法确定其成本合理性的测试，因为不知道会发现什么，也不确定项目是否值得一试。然而，在仿真环境中，进行该评估的成本要低得多。

LS-DYNA软件使我们能够探索并了解哪些是重要因素，真正能带来性能差异。。在某些情况下，我们将运行物理碰撞测试，来对结果进行验证和确认；而对于某些项目，我们的置信度足够高，无需物理测试即可继续进行。例如，去年，我们在洛杉矶纪念体育馆对泡沫块间距进行了更改，而没有进行经验测试。

您如何在LS-DYNA软件中利用虚拟人体模型重建赛道碰撞事件，以预防头部伤害的？

Patalak：通常，我们会从人体模型开始，以模拟赛车中的车手。在许多情况下，车手会佩戴喉舌传感器，这些传感器可以记录头部的加速度和旋转速度。通过与维克森林大学损伤生物力学中心和维克森林医学院生物医学工程小组合作，NASCAR推出了这些喉舌传感器，以捕获赛场上的车手的头部运动。我们将查看这些输出结果，然后运行人体模型，确保从基准角度来看，我们的预测结果能够与实测数据相吻合。

一旦仿真结果与实测数据高度吻合，我们就可以开始调整头盔贴合度、头盔材料、座椅刚度以及头部和颈部约束的牵引带长度等。利用我们的工程直觉和专业知识，以及物理定律，我们可以开始回答一些基本的设计问题。例如，如果修改头部泡沫的刚度，我们能否降低车手感受到的头部加速度？

我们将运行一系列不同的迭代，并以这种方式进行研究，所有这些工作都是在虚拟建模环境中完成的。如果我们发现设计中的某个更改或迭代可能有益，我们会先对其进行实证验证，然后才会对约束系统进行实际更改。

根据您在NASCAR的多年工作经验，SAFER防撞墙的作用有多大？

Patalak：在赛道上应用SAFER防撞墙，已经有大约20年的历史了。我会把这项技术纳入赛车运动安全改进方面的五大最佳成就之一。事实上，Dean Sicking博士当时在内布拉斯加大学负责SAFER防撞墙小组的领导工作，今年2月，他本人将入选NASCAR名人堂。

这是一项里程碑式的成就。如果将这项技术与混凝土技术进行比较，您会发现，使用SAFER防撞墙时，车辆的峰值加速度值会降低30%到80%，这是一个巨大的改进。目前，我们仍在使用LS-DYNA软件力求将上述数字再降低5%，因为LS-DYNA仿真现在已经变得更加精细和精确。

我们诚挚感谢John Patalak对本博客系列的贡献。如果您想了解更多信息，敬请访问我们的博客，更深入地了解NASCAR如何运用LS-DYNA软件中的人体模型来显著降低赛道上的受伤风险。

进一步了解LS-DYNA软件。