汽車數(shù)字化開發(fā)技術-第七章汽車虛擬現(xiàn)實技術在汽車開發(fā)中的應用

第七章汽車虛擬現(xiàn)實技術在汽車開發(fā)中的應用汽車數(shù)字化開發(fā)技術數(shù)字開發(fā)有哪些技術，具體應用、與傳統(tǒng)開發(fā)相比有哪些優(yōu)勢？例如：CFD技術（計算流體動力學），是研究流體在基本控制方程下運動的數(shù)值模擬方法。用于計算分析汽車外流場，與傳統(tǒng)的風洞試驗相比，CFD方法不需要實車模型，具有周期短、成本低、可反復計算等優(yōu)點。思考：11）仿真的三個基本要素是：

復習：2物理系統(tǒng)計算機數(shù)學模型系統(tǒng)、模型、計算機2）汽車虛擬樣車仿真技術的內容：(1)幾何仿真，整車結構的幾何特性與裝配關系的仿真；(2)性能仿真，動力學性能和動力學特性的仿真。33）虛擬試驗的優(yōu)點：(1)可以大幅度減少樣機制造試驗次數(shù)，縮短新產(chǎn)品試驗周期，降低實際試驗的費用。(2)可以實現(xiàn)設計者、產(chǎn)品用戶在設計階段信息的互反饋。(3)可對試驗過程進行回放、再現(xiàn)和重復。44）汽車碰撞安全仿真試驗從哪幾個方面進行？要研究的內容包括哪幾個？試驗從哪五個方面進行：（1）正面碰撞（2）后部碰撞（3）側面碰撞（4）頂部壓垮（5）側門強度。研究的內容包括：（1）車身結構的耐撞性研究（2）碰撞生物力學研究（3）乘員約束系統(tǒng)研究（4）安全內部飾件研究。55)汽車碰撞安全仿真的發(fā)展趨勢：(1)提高仿真運算速度，它是汽車碰撞仿真技術發(fā)展的核心；(2)發(fā)展新的人體模型模擬技術；(3)尋求接觸搜尋新算法；(4)研究降解積分新技術；(5)子循環(huán)技術。6第七章汽車虛擬現(xiàn)實技術在汽車開發(fā)中的應用汽車數(shù)字化開發(fā)技術3.1虛擬現(xiàn)實技術的概述3.2虛擬環(huán)境的建立3.3產(chǎn)品的虛擬原型3.4數(shù)字制造3.5數(shù)字工廠83.1.1虛擬現(xiàn)實的定義3.1.2虛擬環(huán)境開發(fā)的目的3.1.3虛擬現(xiàn)實在各個領域的應用3.1虛擬現(xiàn)實技術的概述9是一種為改善人與計算機的交互方式、提高計算機可操作性的人機界面綜合技術。它通過高速圖形計算機、頭盔顯示器或其他三維視覺通道、三維位置跟蹤器和立體聲音響，使計算機用戶能夠沉浸到計算機屏幕所顯示的場景中去，從而產(chǎn)生一種類似“幻覺”的人工三維環(huán)境——“虛擬環(huán)境或靈境”。3.1.1虛擬現(xiàn)實的定義10虛擬現(xiàn)實的組成包括用戶（操作者）、機器及人機接口三個基本組成部分。借助虛擬顯示技術，可以對現(xiàn)實世界的事物進行動態(tài)仿真。計算機屏幕顯示的場景能夠跟蹤用戶的輸入，及時按照輸入信息修改場景，使用戶和虛擬環(huán)境之間建立起實時交互性關系，進而使用戶產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。11虛擬環(huán)境的特征121）為了方便設計師對產(chǎn)品各方面包括外觀、零部件間的關系、性能等方面做出評價，以減少設計上的錯誤和最大限度地滿足客戶需求。2）為了縮短產(chǎn)品的設計周期和節(jié)省試制費用，避免多次制造樣機。3）為了使數(shù)字化產(chǎn)品模型具有更強的人機交互功能，使用戶能在虛擬環(huán)境中感覺到產(chǎn)品的存在。4）為了方便產(chǎn)品設計開發(fā)人員、生產(chǎn)管理人員、營銷人員組成的團隊可以從不同角度對產(chǎn)品的設計方案進行討論。3.1.2虛擬環(huán)境開發(fā)的目的13虛擬現(xiàn)實在工程中的應用虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學中的應用虛擬現(xiàn)實在航天和軍事中的應用虛擬現(xiàn)實在商業(yè)中的應用在娛樂、藝術和教育中應用虛擬現(xiàn)實在車輛工程方面的應用3.1.3虛擬現(xiàn)實在各個領域的應用143.2.1人機交互方式發(fā)展歷程3.2.2具有沉浸感虛擬環(huán)境的特點3.2.3虛擬環(huán)境硬件配置3.2.4虛擬環(huán)境軟件配置153.2虛擬環(huán)境的建立5個階段：1）傳統(tǒng)的屏幕顯示、鍵盤和鼠標2）從三維圖形到觀看“桌面虛擬現(xiàn)實”3）頭盔顯示器和雙筒全景顯示器（具有沉浸感）4）數(shù)據(jù)手套和觸覺反饋裝置5）超大屏幕或全景虛擬環(huán)境（多用戶深度沉浸感）3.2.1人機交互方式發(fā)展歷程161）采用與人體位置有關的觀察方法，從而提供了在三維空間中運動的視覺界面，為用戶在虛擬環(huán)境中東張西望、走進走出或飛越創(chuàng)造了基本條件。2）超大屏幕的立體景觀加強了空間的深度和廣度，全景虛擬環(huán)境將與人的身材大小相適應。3）通過數(shù)據(jù)手套、操縱桿、遙控器空間球和立體鼠標等裝置可以操縱和控制虛擬對象。4）立體聲場、觸覺以及其他非視覺技術的應用大大加深了虛擬環(huán)境的沉浸感。5）在不同地點的人通過網(wǎng)絡可以分享虛擬環(huán)境，在虛擬空間中相會、交談和動作交互。（多用戶）3.2.2具有沉浸感虛擬環(huán)境的特點17具有沉浸感的虛擬環(huán)境硬件系統(tǒng)包括：一、可視化視覺通道二、虛擬幕墻三、全景空間四、立體聲場的聽覺通道五、語言、位置和姿態(tài)輸入裝置3.2.3虛擬環(huán)境硬件配置181）頭盔顯示器2）雙筒全方位顯示器3）虛擬桌面和虛擬幕墻4）全景虛擬環(huán)境一、可視化視覺通道19頭盔顯示器20頭盔前方的小盒有兩個小液晶顯示屏，利用光學原理讓左右眼看到的圖像略有差別以達到立體效果。位置追蹤器能夠不斷測量用戶頭部的位置和方向，并將計算機生成的場景調整到與頭部位置和姿態(tài)相適應的場景，使用戶可以在各個角度觀看生成的虛擬產(chǎn)品?？梢蕴峁┝Ⅲw場景顯示、立體聲音輸出以及頭部位置跟蹤的功能。雙筒全方位顯示器21針對頭盔顯示器戴上不舒適感進行了改進，同時分辨率上有所提高。通過多連桿機構在操作范圍的任意移動，達到位置跟蹤的效果。虛擬桌面22與頭盔顯示器和雙筒全方位顯示器相比可供多用戶同時使用。在操作者可以通過數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器等實現(xiàn)人機交互。虛擬幕墻23可供用戶10人左右建立全景虛擬環(huán)境（CAVE)的目的：1）生成高清晰度全彩色的逼真影像，改善周邊視野效果；2）減少用戶負重的硬件，消除頭部轉動的誤差；3）開發(fā)能夠同時看到現(xiàn)實世界和虛擬世界的顯示裝置；4）開發(fā)能夠與超級計算機聯(lián)網(wǎng)的可視化的工具和數(shù)據(jù)源。全景虛擬環(huán)境（CAVE）2425利用CAVE開發(fā)奔馳新車型數(shù)據(jù)手套操縱桿操縱手輪三維控制裝置五、語言、位置和姿態(tài)輸入裝置26數(shù)據(jù)手套27數(shù)據(jù)手套(DataGlove)是一種把手勢輸入計算機的工具。戴上數(shù)據(jù)手套后，當手活動時手套檢測這些活動，并向計算機送出相應數(shù)據(jù)，計算機將這些數(shù)據(jù)轉化為虛擬手的動作，如握拳、手平直、伸出食指等。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)定，不同的手勢可以表示不同的控制指令，例如用手平直指出飛行的方向，用握拳表示返回等。為了實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實中的漫游，必須知道瀏覽者在三維空間中的位置和方向，尤其是必須知道頭部的位置與方向，以相應地改變場景。這就需要位置跟蹤器跟蹤頭部的位置與方向，也就是需要位置跟蹤器描述物體的3D位置。目前采用的位置跟蹤器有磁場式、超聲波式、紅外線式及發(fā)光二極管式等，但使用較多的是磁場式及超聲波式。三維（3D）位置跟蹤器28虛擬現(xiàn)實應用工具箱——MRTK軟件包虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應用工具箱——WTK程序包CDK（CyberspaceDeveloperKit)軟件包虛擬現(xiàn)實建模語言VRML3.2.4虛擬環(huán)境軟件配置293.3.1虛擬原型的概念3.3.2建立虛擬原型的主要步驟3.3.3虛擬原型的應用303.3產(chǎn)品的虛擬原型虛擬原型(VirtualPrototypling)是利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互地探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。它是在CAD模型的基礎上，使虛擬技術與仿真方法相結合，為原型的建立提供的新的方法。虛擬原型技術可用來快速評價不同的設計方案，與物理原型相比較，虛擬原型生成的速度快，生成的原型可被人們直接感觸、操縱和修改，且數(shù)據(jù)可被重新利用。運用虛擬原型技術，可以減少且甚至取消物理原型的制作，從而加速新產(chǎn)品的開發(fā)進程。313.3.1虛擬原型的概念為使用現(xiàn)有的軟件，并將虛擬原型集成到產(chǎn)品開發(fā)過程中，還需要下列兩個接口：1）虛擬環(huán)境和外部工具之間的接口。2）與產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型庫的接口。虛擬原型不是要代替現(xiàn)有的CAD技術，而是在CAD數(shù)據(jù)的基礎上進行工作，虛擬原型給所設計的物體提供了附加的功能信息。產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型庫將包含完整的、集成的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)及管理，從而為產(chǎn)品開發(fā)過程各階段提供共享的信息。321)從CAD／CAM模型中取出幾何模型。2)鑲嵌：用多面體和多邊形逼近幾何模型。3)簡化：根據(jù)不同要求刪去不必要的細節(jié)。4)虛擬原型編輯：著色、材料特性渲染、光照渲染等。5)特征輪廓的粘貼，以更好地表達某些細節(jié)。6)增加周圍環(huán)境和其他要素的幾何模型。7)添加操縱功能和性能。333.3.2建立虛擬原型的主要步驟汽車轉向盤的嵌砌和簡化模型34邊界縫補示意35駕駛儀表盤照片的粘貼361）汽車虛擬原型3.3.3虛擬原型的應用372）工程機械虛擬原型38JohnDeere公司的裝載機虛擬原型3）虛擬維修4）虛擬風洞393.4.1數(shù)字制造的定義一、定義：數(shù)字制造又稱虛擬制造，可以定義為“借助建模和仿真技術提高制造企業(yè)各層面決策和控制水平的、集成化的、在計算機上人工合成的制造環(huán)境”。是數(shù)字化開發(fā)的重要組成部分，可以檢驗關鍵零件的可制造性以及整機的易裝配程度。3.4數(shù)字制造40二、數(shù)字制造虛擬環(huán)境的組成：1）虛擬機器建模環(huán)境2）虛擬產(chǎn)品設計環(huán)境3）虛擬產(chǎn)品制造環(huán)境4）虛擬產(chǎn)品裝配環(huán)境41三、虛擬制造的特點(1)集成性：虛擬制造包含了虛擬設計、虛擬加工、虛擬裝配等過程。其次，各子過程并不是獨立運行的，而是彼此之間相互影響、相互支持，共同完成對實際制造過程的分析與仿真。(2)反復性：虛擬制造大多數(shù)環(huán)節(jié)都遵循“方案擬定——仿真評價——方案修改”的一個多次反復的工作流程。(3)并行性：指的是分布在不同節(jié)點的工程技術人員、計算仿真資源和數(shù)據(jù)知識資源，在計算機網(wǎng)絡和分布式虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，針對生產(chǎn)中的某一任務，群組協(xié)調工作。(4)人機交互性：虛擬制造通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境將計算機的計算和仿真的過程與人的分析、綜合和決策的過程有機地結合起來。42虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確性，及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配過程。虛擬裝配系統(tǒng)允許設計人員考慮可行的裝配序列，自動生成裝配規(guī)劃。虛擬裝配系統(tǒng)包括數(shù)值計算、裝配工藝規(guī)劃、工作面布局、裝配操作模擬等。3.4.2虛擬裝配過程4344虛擬裝配場景示意3.5.1數(shù)字工廠的定義數(shù)字工廠是一個集成化的虛擬仿真環(huán)境，它將制造企業(yè)信息管理系統(tǒng)與虛擬制造的各種應用結合到一起，提供了一個從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品廢棄的全生命周期數(shù)據(jù)管理平臺。3.5數(shù)字工廠45UGS公司提供的數(shù)字工廠基本框架46原型車的構建的步驟：(1)計算察看方向；(2)分析用戶接觸；(3)渲染。3.5.2數(shù)字工廠的應用4748第八章產(chǎn)品開發(fā)的組織和管理汽車數(shù)字化開發(fā)技術CIMData公司總裁EdMiller認為：PDM是一門用來管理所有與產(chǎn)品相關信息和所有與產(chǎn)品相關過程的技術。在計算機網(wǎng)絡中，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行安全的存儲、分配、追蹤、監(jiān)測、更新以及控制。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）50511）產(chǎn)品增值鏈的核心環(huán)節(jié)2）應用系統(tǒng)的集成平臺3）數(shù)據(jù)安全性的重要保證4）虛擬（數(shù)字化）產(chǎn)品的管理工具5）知識管理系統(tǒng)的重要組成部分6）電子商務的核心技術7）產(chǎn)品全生命周期管理的基礎產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的作用521.電子數(shù)據(jù)倉庫和文檔管理2.工作流程和過程管理3.產(chǎn)品結構和配置管理4.分類和檢索5.過程和項目管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基本功能531）簡述有限元分析的基本步驟。2）逆向工程的主要過程可分為（）、（）和（）。3）

結構離散就是將求解區(qū)域分割成具有某種幾何形狀的單元，也稱為()。A.幾何建模

B.劃分網(wǎng)格

C.劃分邊界

D.單元分析4）CAE技術應用非常廣泛，可用于以下()A.虛擬實驗

B.VPGC.VRD.CFDE.有限元分析54習題：5）FOA使用（）來進行拓撲優(yōu)化，為新結構的設計、優(yōu)化提供啟示，并提出一些結構修改的建議。6）以()、(

)為基礎的數(shù)字化設計技術和以()為基礎的數(shù)字化制造技術，是產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)技術的核心55附錄資料：不需要的可以自行刪除節(jié)能與新能源汽車

--純電動汽車目錄1概述2新能源汽車現(xiàn)狀

3

純電動汽車技術原理及優(yōu)勢4純電動汽車商業(yè)模式簡介5遠期展望概述基本概念以內燃機為主要動力系統(tǒng)，綜合利用各種技術降低油耗的叫節(jié)能汽車。

“新能源汽車”是指采用新型動力系統(tǒng)，使用非石油燃料的汽車。規(guī)劃中的新能源汽車主要是指純電動汽車、插電式混合動力汽車、燃料電池汽車。純電動汽車是以電池為儲能單元，以電動機為驅動系統(tǒng)的車輛。純電動汽車的特點：結構相對簡單，生產(chǎn)工藝相對成熟。新能源汽車現(xiàn)狀國外政策世界各國普遍將發(fā)展電動汽車確立為節(jié)能減排的重要途徑和政府戰(zhàn)略性計劃，出臺各類發(fā)展鼓勵政策和行動計劃。序號國家/區(qū)域鼓勵政策行動計劃1美國《2001年美國未來能源保證法案》《美國新的綜合性能源計劃》《美國下一代電動汽車協(xié)議》未來10年投入10億美元，至2015年普及100萬輛插電式混合動力汽車2歐盟歐洲汽車制造商協(xié)會《2010稅收導則》，除意大利和盧森堡，所有西歐國家出臺了對電動車的減稅、免稅或補貼政策奧地利：25萬輛推廣計劃丹麥：2020年，電動汽車占新售車輛1/10西班牙：2014年普及100萬輛3德國《國家電動車發(fā)展計劃》，2009-2012年投入5億歐元用于純電動和插電式混合動力汽車的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化到2020年、2030年分別普及100萬輛和500萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車4法國《新車置換金》《法國清潔汽車購買獎勵體系》2015年推廣電動汽車10萬輛5英國《私人購買新能源汽車補貼細則》低碳汽車示范運行與研發(fā)資助政策2015年推廣電動汽車24萬輛6日本《下一代汽車的補助金制度》《日本電動汽車購買補助手冊》到2020年普及以電動汽車為主體的“下一代汽車”達到1350萬輛新能源汽車現(xiàn)狀電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃 形成“三橫三縱三大平臺”（三縱：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車；三橫：電池、電機、電控;三大平臺：標準檢測、能源供給、集成

示范戰(zhàn)略重點與任務布局）

國內政策新能源汽車已經(jīng)成為我國七大戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)之一《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》

汽車工業(yè)轉型的主要戰(zhàn)略取向——純電驅動當前重點推進——純電動汽車和混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化推廣普及：非插電式混合動力汽車、節(jié)能內燃機汽車

新能源汽車現(xiàn)狀國內發(fā)展狀況經(jīng)過多年的醞釀，國內純電動汽車日趨成熟，有多款電動車已取得國家公告吉利熊貓EK電動汽車系列動力源：鉛酸電池最高車速：80km/h北汽福田迷迪純電動轎車動力源：鋰電池組續(xù)航：100—150公里

東風風神，EJ02純電動汽車動力源：磷酸鐵鋰電池，電機類型：風神采用永磁同步電機長安奔奔MINI純電動汽車動力源：磷酸鐵鋰電池組電機類型：永磁直流無刷電機

比亞迪E6純電動汽車動力源：鐵電池續(xù)航：200—300公里

眾泰2008EV純電動汽車動力源：鋰離子電池續(xù)航：300公里純電動汽車純電動汽車技術原理分類和領域分類領域整車共性技術

整車和系統(tǒng)集成網(wǎng)絡通訊和控制技術強電安全技術電磁兼容性技術整車輕量化技術整車匹配標定和試驗技術系統(tǒng)標定和優(yōu)化技術智能感應及顯示技術故障診斷和容錯控制技術熱管理技術純電動汽車核心技術分類領域控制系統(tǒng)關鍵技術電制動技術安全技術控制軟件開發(fā)仿真系統(tǒng)設計診斷技術車用驅動電機系統(tǒng)關鍵技術驅動電機及其控制技術系統(tǒng)集成系統(tǒng)熱管理位置/轉速傳感器高性能絕緣材料高性能永磁材料電力電子元器件IGBT車用動力電池系統(tǒng)關鍵技術

動力電池及成組技術系統(tǒng)集成電池管理系統(tǒng)正負極材料鋰離子電池隔膜純電動汽車核心技術分類領域電動輔助系統(tǒng)關鍵技術電空調電轉向電制動電動汽車的主要組成和核心部件“三大件”驅動系統(tǒng)電動汽車的心臟驅動系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉化為電能充入蓄電池中。實現(xiàn)一種“再生”效應。驅動系統(tǒng)包括：電子控制器、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和驅動車輪等。常用的驅動電機：

1、直流有刷電動機、

2、交流感應電動機、

3、開關磁阻電動機、

4、無刷直流電動機及永磁同步電機控制系統(tǒng)對驅動機的控制

主要功能是根據(jù)駕駛員的操作和當前的工況，在保證安全和動力性要求的前提下選擇盡可能優(yōu)化的工作模式。動力源電池管理系統(tǒng)電池組鋰離子電池鉛酸蓄電池鎳氫蓄電池鎳鎘蓄電池鈉硫蓄電池重量輕、儲能大、無污染、無記憶效應、使用壽命長；它是一種真正的綠色節(jié)能環(huán)保電池可靠性好、原材料易得，價格便宜；性能差，