仿真技术在汽车研发中的应用及发展趋势(已阅)2′

仿真技术在汽车研发中的

应用及发展趋势

杜志强　(同济大学)

加工制造中可能发生的问题。(3)可以降低产品开发费用。用计算机仿真代替样机或实体模型试验,不仅可以缩短产品开

仿真(Simulation)技术是现代产品开发中重要的支撑技术,它是指用另一数据处理系统来全部或部分地模仿某一数据处理系统,以致于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。在工程实践中,可用模型(物理模型或数学模型)来模仿实际系统,代替实际系统来进行实验和研究。目前,计算机已相当普及,以计算机为平台的仿真技术在现代产品开发中发挥着重要作用:

(1)可以提高产品开发质量。现代产品开发强调“最优化设计”,以追求产品全寿命周期的综合性能最佳为核心准则。但是,产品在其全寿命周期内可能遇到各种各样复杂的工作环境,而且这些复杂的工作环境往往是人工难以复现的。应用计算机仿真技术,甚至可以在产品尚未最终设计出来之前,就考察研究它们在各种工作环境下的表现,从而保证其综合性能的最优。

(2)可以缩短产品开发周期。传统的产品开发,常常要经历方案设计→图样设计→样机制造→工艺设计(必要时伴以工艺试验)→批量生产这样一系列步骤,在任何一个步骤中发现问题,常常要退回到前面的某一步骤重新循环。此外,样机制作、工艺试验本身也要花费很多时间,因而造成产品开发周期的冗长。应用仿真技术,在方案设计中,可以同时对多个方案进行综合性能的模拟预测,以便迅速确定最佳方案;在图样设计阶段,可以通过仿真,对结构、参数是否适合产品综合性能要求进行验证;可以通过对制造过程、装配过程的仿真,及早在设计阶段就发现并解决工艺设计、・36・

发周期,而且可以大大节省开发费用。例如,在汽车车身覆盖件的设计中,不仅要考虑其运行阻力、外观造型等因素,而且要考虑安全因素———当汽车受到碰撞时,车身的变形应尽可能少地危及乘员的安全。为此,每设计一个车型总要拿出十几辆车,从不同方向进行撞车试验,验证车身的变形状况。现在美国等工业发达国家已实现用计算机进行撞车模拟试验,从过去毁坏十几辆车作撞车试验,减少到只用5辆。

(4)可以进行复杂产品的操作使用训练。要掌握复杂产品(如飞机、汽车)或复杂技术系统(如核电站)的操作控制,必须进行训练,采用真实产品或系统进行训练,不仅费用昂贵,而且风险巨大。应用仿真技术,可以让受训人员“身临其境”地学习操作、控制性能;还可以制造出许多罕见的“故障”和“险情”,让受训人员学会处理和排除,取得用真实产品或系统所达不到的训练效果。

1　仿真技术综述

2　应用现状

2.1　CAE仿真技术

汽车产品开发一般分4个阶段,即筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段,CAE技术的应用在产品开发的后三个阶段起着十分重要的作用。

(1)可行性研究和概念设计阶段

整车参数主要是在概念设计中确定的,对产品的成功开发非常重要,如后期发现问题后再修改,后果就十分严重了。如果仅依靠总设计师的

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“经验”和样车,那么确定的这些参数必然是不科学也不可靠的,这就需要进行CAE仿真,作定量分析。

汽车产品开发,特别是轿车产品开发,只要不是超前的“概念车”,一般都有一个“原型车”为基本车型。当然,既然是开发就不可能完全和“原型车”一模一样,许多参数必须改变。汽车是一个各参数密切相关的系统,参数的更改会产生什么后果,就需要应用CAE仿真技术,以清楚确切地回答这个问题。例如,即使底盘结构都不变,只是改变车身造型,那么整车系统的重心、惯性矩的改变将影响到系统的行驶性、操纵稳定性、振动和舒适性,车身结构的改变将对车身的刚度、强度、寿命、车身自然频率、轿厢的通风、隔热、噪声、车身的空气动力学特性、内部空气流和热交换、被动安全性水平等产生影响。应用CAE技术对“原型车”和开发车系统进行仿真,可以在概念设计阶段就精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性,从而在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证。显然,其技术经济意义非同一般。

(2)产品设计阶段在产品设计阶段可以全面应用CAE技术进行零部件结构的热变形、流动分析和优化设计,提高设计质量。本阶段的CAE应用范围广泛,进行的是比较简单的分析,但是应用效果却是非常显著的。例如,车身开发的产品设计主要是产生包括所有部件的设计图纸,前围、地板、保险杠、顶盖、车门、发动机和行李仓盖板等分总成以及门框的A、B和C柱、边梁、副车架、车后部钣金、行李厢等的设计,都需要应用CAE进行分析。

(3)确认设计和投产准备阶段仍以车身开发为例,在确认设计阶段,已经有了全面的图纸数据、样车实物和试验结果反映出的问题。CAE在这一阶段的任务是:针对试验产生的问题(疲劳、轻量化、刚度、车门下垂、碰撞安全、振动噪声等)进行有目的的分析,提出问题的焦点和验证改进的对策;对产品进行详细分析,将结果保存为技术档案,进行技术总结;生产准备中工艺设计、模具设计和冲压工艺仿真。

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2.2　噪声振动分析(NVA)仿真技术

当今愈演愈烈的汽车市场竞争促使汽车设计

师越来越需要在设计早期就重视振动与噪声的影响,避免将振动噪声问题延误到设计的后期才予以补救,造成大量重新设计对人力和物力的巨大浪费。目前,汽车业界主要利用Vibro-AcousticSciences公司的AutoSEA2软件在产品设计早期进

行振动噪声分析。这种软件采用统计能量分析的方法解决振动噪声问题,它具有图形界面简单、易于建模分析、结果有效性高等优点,主要用于设计内部噪声质量,车身结构声学研究,以及轿车、卡车及巴士的内饰材料优化设计等。

国外已有很多公司应用AutoSEA2进行汽车振动噪声分析。例如,克莱斯勒公司采用集成Au2toSEA2技术,把对噪声和内饰材料的设计与分析提前到产品开发初期。他们用仿真模型就能试验部件和材料,使相应的样机数量大为减少,这种提前设计和分析噪声振动的方法,以更低的费用获得更好的质量。在产品开发过程中,克莱斯勒技术人员分别运用AutoSEA2仿真和样机测试的方法得出了空气传播噪声在不同面板和空腔的系统响应样本,如图1所示。从图中可以看出,Au2toSEA2模型仿真与样机测试的结果具有很好的一致性。

图1　AutoSEA2仿真与样机测试结果

2.3　废气排放仿真技术

这项技术在国内已有发展。天津市机动车尾气催化与净化工程中心开发出汽车排放后处理系统计算机仿真技术,填补了国内汽车废气排放计算机仿真技术的空白。这个项目在我国汽车排气

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系统数值模拟计算方面率先建立了16节点高性能并行计算机群,具有峰值运算速度456亿/s、Linpack实测值240亿次/s,在汽车排气系统数值模拟方面具有领先水平。该项目的模型是涵盖多学科的、比较完备的数值模型,其应用具有较好的经济、社会和环境效益。台架实验研究表明,该技术的仿真计算结果与实验符合,实际应用也证明了其模型有较强的实用能力。同时,该技术可以全面反映催化转化器的速度场、压力场、浓度场和温度场,能够为三元催化转换器及汽车排气系统的开发及优化提供技术支持。

汽车排放后处理系统计算机仿真技术的应用,可以缩短排放系统开发进程,节约开发费用,实现低排放、低噪声、低振动、低功率损失、低价格,促进汽车整车厂、催化转换器厂、三元催化剂厂和蜂窝载体厂的系统或产品的技术水平的提高,还可以带动柴油车、摩托车排放后处理系统技术的发展,提升机动车排放后处理领域的技术开发水平和能力,促进环保事业的发展。2.4　电路和控制系统仿真技术为了改善和提高汽车的性能,需要对汽车的电气及控制系统进行优化设计,由于微型计算机具有结构紧凑、工作可靠、功能强大、响应快速和价格低廉等优点,特别适宜于作为汽车各控制系统的控制器。汽车实现计算机自动控制不仅可以改善和提高汽车的控制质量,还可以扩展汽车的控制内容,所以,目前的汽车上已有很多由计算机进行控制的系统或机构。为了适应汽车大批量多样化的生产特点,汽车计算机控制系统正朝着标准化、小型化和集成化的方向发展,由于汽车结构和性能的复杂性和关联性,汽车计算机控制实现网络化也是必然的发展方向。目前,汽车计算机控制已经涉及到动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等诸多方面,具体包括:发动机控制、变速控制、巡行控制、制动控制、驱动控制、悬架控制、转向控制、照明控制、雨刷控制、空调控制、安全控制、座椅控制、门窗控制、防盗控制、音响控制和信息管理等,这些控制自成系统,形成了各种汽车计算机控制系统,它们组合起来又构成・38・

了整个汽车计算机控制系统。对这样的系统进行开发,不仅需要对基于控制理论的软件系统进行设计,还必须对硬件电路进行系统化的设计,这些必须应用系统仿真技术,否则其开发周期和开发成本将是不可控的。所以,电路及控制系统的仿真也是当今汽车研究与开发中应用广泛的仿真技术。

随着计算机技术的迅速发展和广泛应用,近年来出现了许多专门用于系统仿真的语言和软件工具,其中最有影响力的是matlab系列软件的出现,不仅使数值分析与应用进入了一个崭新的阶段,而且也为系统仿真技术提供了更实用、更方便的解决办法。这个软件显著的特点,就是提供了系统动态仿真工具箱———simulink,它由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成,是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境,特别适合于电路系统和控制系统的仿真。

目前,在汽车控制系统的仿真设计中,重点发展的是硬件在回路(Hardwareintheloop)仿真,因为这一技术在利用仿真技术优点的同时,能够更加真实地模拟汽车控制系统的工作环境。具体做法是:在matlab/simulink环境下建立控制系统的数学模型,先进行离线仿真获得满意的效果,然后用实物代替模型中的被控对象与计算机中的控制器模型通过某种通讯方式连线进行仿真。对于电路的仿真,也是使用matlab/simulink建立电路模型,然后仿真进行调试,直到达到要求后再进行实际电路的连接,这就避免了用传统方法反复进行实物调试而花费较多的资金、时间和精力的缺点。

3　发展趋势

3.1　驾驶模拟仿真技术

对于汽车来说,驾驶仿真技术正在日益兴起,它不仅为汽车使用者提供了便捷的学习方法,而且为汽车的设计者提供了一种非常友好的性能评价方法和平台,这一技术正成为汽车仿真技术发展中的热点。

电脑控制主被动式汽车驾驶模拟系统(SBM-Ⅲ型)正是这一技术的标志,它是以计算机仿真

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和计算机三维成像等高技术为核心的新一代汽车驾驶模拟仿真器。它能模拟汽车驾驶的运行环境和操作效果,培训汽车驾驶人员。系统的图形部分是由计算机实时形成的,学员在视频上看到的道路、自走车辆、各驾驶车辆、行人、建筑物、交通标志等均是随着学员驾驶的过程不断实时变化,如同驾驶真车一样,有身临其境的感觉。其外形如图2所示。

　　(3)考虑到汽车训练必须适应实车驾驶的要求,精心设计了场景的左右后视景系统,在正面场景显示画面上辟出左上角和右上角,用以显示汽车左右后方的场景,以满足各种驾驶训练,特别是倒车观察的要求。

(4)在驾驶训练中,受训人员可通过现场复现功能键来观察分析自己的驾驶训练情况,特别是训练过程中发生重大错误,如撞车、撞障碍物,或闯入人行道时,可利用再现的效果来判断和分析错误原因。3.2　动力学仿真技术除上面提到的驾驶模拟仿真技术外,在虚拟车辆、发动机及整车动力学研究方面,仿真技术也正在蓬勃发展,目前具有典型性的主要是德国Te2sis公司的产品。该公司提供的用来对车辆控制器或零部件测试的虚拟车辆模型非常接近实际情况,这种模型是在matlab/simulink环境下利用框图形式搭建的,具有极大的灵活性,也可以生成代码,主要包括车辆动力学分析(ve-DYNA)仿真模型和发动机动力学分析(en-DYNA)仿真模型。其中ve-DYNA为用户提供了车辆动力学、车辆非线性行为的可配置仿真模型,汽车设计者只要根据自己的工程问题选择合适的车型和适当的版本就能实现不同的仿真,特别方便于进行动力学控制系统的开发,因为在开发过程中,汽车工程师只需进行控制算法的开发就可以了。应用该模型进行动力学控制算法的测试,能够减少昂贵而费时的实车试验,并且可以在无人监控的情况下完成整个测试、优化和系统确认。

图2　SBM-Ⅲ型汽车驾驶模拟仿真系统

　　这一驾驶模拟仿真技术具有如下一些特点:

(1)采用Windows98操作平台,由多媒体电脑中央控制系统和多台驾驶舱(1～20台)组成。中央控制系统由主控计算机、监视器、打印机等组成,驾驶舱由驾驶舱座、视景计算机、视屏(29寸彩色电视机)、数据传感板、数据采集板等组成。单机版为独立的一个驾驶舱系统,它具有非常强的图像处理能力,独特的成像硬件和软件设计,可形成每帧画面处理3000个四边形的能力。这种实时三维成像的视景系统可保证汽车在道路或建筑物之间穿插迂回,也可使受训人员得到如立交桥和高速公路等复杂环境的训练,能提供类似实车的人车交互视景环境。

(2)有优越的交互训练方式,使受训人员在各道路场景中可以进行相互之间会车、超车、让车等技能的训练。

4　结束语

由于仿真技术的引入,汽车的研究与开发方法和流程发生了革命性的变化,伴随着这一技术的继续深入发展,汽车产品的研究与开发终将成为一项系统的并行工程,每一位汽车技术工作者都将面临这一机遇和挑战。

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