汽車虛擬試驗技術(shù)

汽車虛擬試驗技術(shù)第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1概述虛擬試驗技術(shù)是一種先進的計算機試驗仿真技術(shù)，利用它可以在虛擬試驗環(huán)境下，借助交互式技術(shù)和試驗分析技術(shù)，使設(shè)計者在汽車設(shè)計階段就能對產(chǎn)品的性能進行評價或試驗驗證。第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.1虛擬試驗的定義從廣義上講，虛擬試驗是指任何不使用或部分使用實際硬件來構(gòu)成試驗環(huán)境，完成實際物理試驗的方法和技術(shù)。虛擬試驗是在計算機上采用軟件代替部分或全部硬件實現(xiàn)各種虛擬試驗環(huán)境，使試驗者如同在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)訂試驗項目，取得接近或等價于真實試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果。第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.1虛擬試驗的定義虛擬試驗系統(tǒng)包括軟件型和硬件在環(huán)型兩種。純軟件型系統(tǒng)將試驗環(huán)境、對象全部抽象為數(shù)學(xué)模型，把抽象的數(shù)學(xué)模型和軟件技術(shù)作為側(cè)重點，僅利用軟件完成整個系統(tǒng)的仿真。硬件在環(huán)型是在計算機軟硬件技術(shù)發(fā)展到一定階段之后才出現(xiàn)的一種集多種技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，是指將硬件實物嵌入仿真系統(tǒng)的實時動態(tài)仿真技術(shù)，需要同時完成大量運算、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行多任務(wù)。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.2虛擬試驗的特點（1）試驗成本低（2）試驗可重復(fù)（3）試驗安全可靠（4）試驗可控性好（5）信息量大而豐富第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件1.Adams軟件Adams即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析。除用于機械系統(tǒng)靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析外，還可作為虛擬樣機分析的二次開發(fā)平臺，供用戶進行特殊功能樣機的開發(fā)。軟件提供零件庫、約束庫和力庫等建模模塊，將拉格朗日乘子法作為其求解器，由基本模塊、接口模塊、擴展模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊和工具箱組成。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件2.Matlab軟件Matlab用于數(shù)值分析、矩陣計算、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真等，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。主要應(yīng)用：工程計算；數(shù)學(xué)、統(tǒng)計與優(yōu)化；測試與測量；圖像與聲音處理；信號檢測、處理與通信；控制系統(tǒng)設(shè)計與分析；模型預(yù)測和金融分析等領(lǐng)域。Simulink模塊是Matlab軟件的擴展，能實現(xiàn)系統(tǒng)可視化建模、動態(tài)仿真和分析。第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件3.Advisor軟件Advisor即高級車輛仿真器（AdvancedVehicleSimulator），由美國能源部（DOE）為管理混合動力驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)，基于Matlab/Simulink環(huán)境運行。可用于分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性以及排放性等性能。提供整車、離合器、發(fā)動機、變速器、主減速器、車軸、車輪、變速器、道路循環(huán)和機械負載等模塊。第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件4.Cruise軟件Cruise軟件采用模塊化的建模方法，可以搭建和仿真任何一種配置的汽車系統(tǒng)?？捎糜谄囬_發(fā)過程中的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、排放系統(tǒng)開發(fā)，汽車性能預(yù)測、整車仿真計算以及控制參數(shù)和駕駛性能的優(yōu)化；可實現(xiàn)發(fā)動機、輪胎、電動機、變速箱等部件的選型及其與車輛的匹配優(yōu)化。與Matlab/Simulink模塊有接口，可以實現(xiàn)聯(lián)合仿真。第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件5.MSC.Fatigue軟件MSC.Fatigue是由Ncode和MSC公司合作開發(fā)的疲勞壽命有限元分析軟件，在產(chǎn)品生產(chǎn)制造之前進行疲勞壽命分析，可極大地降低生產(chǎn)原型機和進行疲勞壽命測試所帶來的巨額費用。可用于結(jié)構(gòu)的初始裂紋分析、裂紋擴展分析、振動疲勞分析、電焊疲勞分析、疲勞優(yōu)化設(shè)計、多軸疲勞分析和應(yīng)力壽命分析等。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.1.3虛擬試驗常用軟件6.nSoft軟件nSoft是由nCode公司開發(fā)的一套專門為解決工程系統(tǒng)疲勞問題的軟件，主要由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、疲勞分析等模塊組成，其功能涵蓋了數(shù)據(jù)采集、疲勞分析以及實驗室疲勞模擬三個工程疲勞設(shè)計的主要領(lǐng)域。主要應(yīng)用于汽車、鐵路、能源、國防等工業(yè)領(lǐng)域。第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2虛擬試驗在汽車工程領(lǐng)域的應(yīng)用10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗10.2.2碰撞安全性虛擬試驗10.2.3汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗1.動力性與經(jīng)濟性虛擬試驗汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性對汽車的運輸效率和運輸成本具有直接的影響。傳統(tǒng)試驗方法受外界因素影響較大。采用虛擬試驗技術(shù)，具有使用方便、快捷、重復(fù)性強等優(yōu)點，能消除實車試驗中駕駛員、氣候條件和道路環(huán)境等外界因素對試驗的影響。第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗1.動力性與經(jīng)濟性虛擬試驗基于Cruise軟件的動力性與經(jīng)濟性虛擬試驗步驟：（1）整車仿真模型的建立：結(jié)構(gòu)模型的建立各模塊參數(shù)的輸入仿真計算模式的選擇（2）動力性與經(jīng)濟性虛擬試驗實現(xiàn)（3）試驗驗證第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗2.制動性虛擬試驗?zāi)壳?，汽車制動性能虛擬試驗主要是由Adams軟件和Matlab軟件聯(lián)合仿真來實現(xiàn)。通常在Adams/View模塊或在Adams/Car模塊中建立多自由度的整車仿真模型，在Matlab/Simulink模塊中建立防抱死制動系統(tǒng)ABS的控制模型，然后將ABS控制模型的仿真數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到Adams軟件中進行整車多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真。第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗2.制動性虛擬試驗基于Cruise軟件的動力性與經(jīng)濟性虛擬試驗步驟：（1）整車仿真模型的建立（2）制動性能虛擬試驗實現(xiàn)：直線制動和轉(zhuǎn)彎制動虛擬試驗防抱死制動系統(tǒng)（ABS）虛擬試驗（3）試驗驗證第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗是用汽車動力學(xué)分析數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬環(huán)境中的汽車模型，將其在試驗過程中各種狀態(tài)變化映射到計算機屏幕上，借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互手段，使研究人員產(chǎn)生“身臨其境”的感覺，體驗車輛在各種工況下的性能，并對其進行評價。第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗（1）操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)的構(gòu)成汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)流程第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗（2）汽車動力學(xué)模型是虛擬試驗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，要考慮盡可能多的自由度建立整車模型?？衫枚囿w系統(tǒng)動力學(xué)軟件Adams/Car，采用參數(shù)化建模方法建立汽車操縱穩(wěn)定性的動力學(xué)模型。將整車分為多個子模塊分別建立虛擬樣機模型，再將其裝配成整車模型，建立整車動力學(xué)分析模型。第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗（3）汽車實體模型實體結(jié)構(gòu)建模就是賦予汽車模型三維實體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、顏色等外觀特征。采用3DMax或其他CAD軟件建立汽車整車和部件的三維實體模型。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗（4）虛擬試驗場模型虛擬試驗場是與用戶最直接的接觸部分。對場景進行光照、霧化、紋理映射等描述，可以形成較好的視覺感受。虛擬場景主要包括兩部分：一是虛擬汽車模型；二是路面模型。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗3.操縱穩(wěn)定性虛擬試驗（5）汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗基本原理及數(shù)據(jù)映射流程第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.1汽車主要使用性能虛擬試驗4.平順性虛擬試驗建立包括乘員在內(nèi)的試驗汽車的三維實體模型；建立虛擬試驗場的場景模型，場景模型的范圍的大小要滿足試驗車輛行駛距離的要求；獲取平順性的動力學(xué)數(shù)據(jù)；在虛擬試驗開發(fā)平臺上對虛擬試驗的各種資源進行編程調(diào)用，實現(xiàn)車輛平順性的虛擬再現(xiàn)；顯示汽車平順性試驗數(shù)據(jù)，考察指標，評價性能。第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.2碰撞安全性虛擬試驗汽車碰撞安全性虛擬試驗結(jié)合了結(jié)構(gòu)力學(xué)、運動學(xué)、工程力學(xué)和計算數(shù)學(xué)等學(xué)科的先進技術(shù)。可以避免實車試驗成本高、時間長的缺點，還可以逼真地反映試驗過程。2001年美國ETA公司開發(fā)出了虛擬試驗場軟件VPG（VirtualProvingGround），是典型的汽車碰撞安全性虛擬試驗軟件包。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.2碰撞安全性虛擬試驗1.碰撞安全性虛擬試驗研究內(nèi)容：（1）汽車零部件碰撞模擬（2）汽車結(jié)構(gòu)耐撞性模擬（3）整車碰撞安全性模擬（4）行人保護第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.2碰撞安全性虛擬試驗2.碰撞安全性虛擬試驗的實施：（1）開發(fā)虛擬原型創(chuàng)建被測汽車的有限元模型建立假人的有限元模型（2）建立汽車碰撞虛擬試驗場（3）在虛擬試驗場中調(diào)用各種虛擬原型第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日10.2.3汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗?zāi)壳?，用于評價汽車零部件疲勞壽命的方法主要是臺架試驗和道路耐久性試驗，試驗周期長、耗費大、安全性低且易受試驗方案影響。汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗現(xiàn)已發(fā)展為在樣車制造前就對零部件進行疲勞壽命分析