借助Altair仿真技术 好孩子为儿童保驾护航

寂静回声

    在素有“百戏之祖”昆曲的发源地昆山，座落有一家世界领先的儿童用品公司——好孩子集团（以下简称好孩子），目前是全球最大的儿童耐用品供应商、品牌经营商以及中国最大的孕婴童全渠道零售平台，其设计生产的儿童推车销量世界排名第一，全球市场上每销售3个儿童推车，就有一个是好孩子集团设计生产的；其设计生产的儿童安全座椅，一直热销美洲、欧洲和中国占领儿童汽车安全座椅的大部分市场，深受国外国内家庭的喜爱。

    那么，好孩子是怎样的一家企业？在儿童安全座椅产品开发中，为什么要用到仿真（CAE，仿真辅助工程设计）技术？Altair帮助好孩子解决了哪些实际问题？对此，e-works记者采访了江苏大学汽车与交通工程学院副教授，昆山好孩子集团研发中心汽车安全座技术副总、CAE总工程师张学荣，围绕“好孩子的发展现状、选择Altair的初衷、安全座椅的设计理念、Altair技术的应用情况”等话题展开了深入交流。
    好孩子集团作为一家全球性的公司，所设计生产的产品需要同时满足不同国家的标准。以儿童安全座椅为例，主要有欧洲标准ECE R129、ECE R44，美国标准FMVSS 213，中国标准GB27887。通过采用大量仿真分析与物理实验相结合的手段，好孩子集团可以有效地应对儿童汽车座椅产品需要同时满足不同标准带来的挑战。

    张学荣认为：“目前国内儿童安全座椅行业，好孩子集团是唯一一家可以把仿真技术运用到极致的公司。同时作为一名高校老师，也有跟很多企业展开合作。通过交流发现，很多公司都没有设立仿真事业部，产品设计改进全靠物理实验和既往经验。给予这些企业建议之后，他们也逐步开始成立公司内部的仿真事业部。然而从目前的行业状况来看，提升仿真技术能力，建立完整有效的仿真方法流程，还有很长的路要走。因此，仿真技术在儿童安全座椅行业，甚至是其他行业，还有着广阔的拓展空间。”
    尽管，Altair并不是儿童安全座椅动态仿真软件的唯一软件供应公司。但好孩子集团对统一的Altair系列仿真软件更加青睐。张学荣解释：“我们为什么选择Altair?因为，我们几乎可以在Altair统一的软件平台上解决我们所有问题，从前后处理、到求解器、再到优化。一个产品全流程的分析需求，都可以在Altair仿真系列软件中找到对应的功能，这是我选择Altair作为软件供应商的最重要原因。”
    当前，好孩子全球仿真能力中心主要运用到了Altair系列仿真软件中Altair HyperMesh™、Altair HyperView™、Altair HyperCrash™和Altair Radioss™这几个模块。其中，HyperMesh ®用来建立儿童安全座椅的有限元模型，以及儿童有限元假人相关调整和设置；HyperView用来查看后处理结果；HyperCrash®用于对儿童安全座椅碰撞模型进行信息确认，完成相关设定，完成碰撞仿真模型；Radioss®求解器用于动态仿真计算；通过PBS计算调度软件模块，对高性能计算资源和仿真分析计算任务进行优化管理调度；Altair HyperStudy™联合Radioss求解器进行大量设计优化探索。
    在儿童安全座椅的实际开发过程中，好孩子工程团队遇到很多难题。例如，如何通过仿真技术准确预测儿童安全座椅断裂部位？断裂后是什么样子？断裂裂纹是如何产生并扩展开来的？就现状而言，低成本获取有效材料失效数据，结合仿真软件准确预测模拟材料失效，具有很高的挑战。Altair提供了材料相关的培训，好孩子工程团队将Altair用于一个简便有效的——双二次曲线材料失效模型（FAIL/BIQUAD），用于安全座椅产品失效的预测上，取得了很好的应用效果。
    张学荣介绍：“2020年，我们给美国Evenflo品牌开发的阿波罗（Apollo）产品，通过失效模型发现了其主壳级的安全带导向键的强度问题。由于当时模具模具当天就要下发到工程部做开模，时间非常紧张。经过仿真分析，我们预测到这个主壳级安全带导向键存在断裂失效的风险，立刻要求必须进行结构改进后才能开模，同时给工程部门提供了一个改进方案。当天，工程部门按照我们提供方案进行改进、开模。这个产品主壳体最终一次通过物理实验测试。产品通过物理测试验证后，我们并没有停止研究。我们将原有被认为有风险的设计方案，再次进行了物理测试，发现原设计方案失效。这样就双向证明了我们通过仿真分析改进设计的方法，采用的材料失效模型，以及材料失效数据，可以很好地改进，并验证这些儿童汽车座椅工程模型。”
    借助Altair系列仿真软件，好孩子将阿波罗的研发周期大大缩短。张学荣表示：“按照之前的正常产品开发流程，阿波罗产品从产品立项到上市，大概需要至少18个月，可能要到2021年底才能上市。但从2020年5月份开始，针对阿波罗这款产品，我们从产品设计阶段就引入了仿真分析测试。到2020年底，产品设计定型，开发周期只用了5月到12月，就把这款产品推向了市场。在之前不在产品设计前期引入仿真技术的条件下，如此短的设计周期是无法想象的。

    同时，通过大量使用仿真技术，成功实现以塑料代替钢材。实现了产品轻量化设计和成本优化。与原始设计方案相比，减重了515g，成本降低21.5元。
    当然，除了儿童汽车座椅产品的安全性能显著提升和产品实现轻量化设计外，好孩子将Altair仿真技术应用于安全座椅研发的好处还有很多。张学荣总结：“使用Altair仿真技术，可以缩短开发周期。通过将仿真技术融入到整个产品开发的流程中，相当于在物理模型研发的过程中，并行通过仿真技术进行研发改进，通过在数字仿真模型上进行大量试错，找到改进方案，并在物理实验中进行验证，从而大幅缩短研发周期；同时，还降低了传统方法通过经验进行模具修模的费用，假设一个产品模具费用是100万，在后期修模的费用可能会花掉四分之一，运用了Altair仿真技术，这部分费用就可以节省下来。”
    此外，Altair仿真技术的应用，还帮助好孩子集团节省了产品研发物理测试费用。“由于儿童汽车座椅所需的测试验证工况已经经过仿真技术进行了多轮分析，产品性能都已经是通过仿真技术验证过的，所以在物理测试过程中，往往是通过EP 1，即一个物理工程阶段就可以通过全部的测试，这大大减少了物理测试费用。测试费与测试的次数有关，也就是说降低物理测试次数，有助于降低测试费用。与不采用Altair仿真技术相比，测试费用大概可以降低到原来的50%。按照传统设计方案流程，需要多轮测试，甚至在工程阶段，可能需要做4-5个工程阶段。采用仿真技术后，基本上一个工程阶段就可以满足产品上市要求。”张学荣补充道。
    随着人们对于交通安全意识的提升和法规的日趋完善，购买并使用儿童安全座椅的父母日趋增加。作为儿童安全座椅的全球知名品牌，好孩子在儿童安全座椅设计方面也有着自己的见解，并为提高儿童乘车安全不断进行创新和尝试。张学荣指出：“对于好孩子而言，儿童安全座椅产品设计的理念，最重要的是安全，其次是舒适性和使用便捷性，这些一直是好孩子追求的目标。现在借助Altair仿真技术，我们研发出来儿童安全座椅，在美国、欧洲和中国等地的消费者评级系统中，都能得到顶级安全评级等级。”
    现在，好孩子正在进行人体损伤生物力学研究，以进一步提升儿童安全座椅的安全性、舒适性和使用便捷性。张学荣表示：“Altair提供了非常多的帮助和方案，提供了Radioss版本的人体生物力学模型HUMOS（HUman MOdel for Safety）以及儿童的人体生物力学模型PIPER，这些人体生物力学模型包含详细的人体骨骼，以及内脏结构，相比碰撞仿真模型可以得到更多、更细节的信息。这些模型在我们公司先进技术研究中发挥了很重要的作用，例如我们最新开发的儿童安全座椅包含安全气囊组件，我们就可以用这些人体生物力学模型评估气囊展开是否会对儿童造成损伤。”张学荣还透露，这款带气囊的好孩子儿童安全座椅产品在2021年就可以买到。
    未来，好孩子集团还将对Altair软件展开更深入地尝试，并应用到产品开发中。张学荣表示：“今后，我们会把Altair更多更好的模块应用到产品开发当中。把目前通过儿童座椅研发过程中，积累的Altair软件使用经验，进一步应用到公司的其他母婴产品中。例如Altair MotionSolve™多体动力学模块应用到儿童推车，结合Altair OptiStruct™隐式结构模块，Altair HyperLife™疲劳模块可以进行推车的疲劳耐久、强度、刚度等仿真分析；还会运用到无网格技术Altair SimSolid™进行产品创新设计，以及让设计工程师做一些简单的设计方向的探寻。也在考察Altair材料数据库（AMDC，Altair Material Data Center），希望用于仿真材料数据统一获取和管理。”