汽车数字化开发技术—第六章 汽车虚拟试验

1、第第6章章 汽车虚拟试验汽车虚拟试验06.1汽车数字化仿真技术汽车数字化仿真技术掌握汽车虚拟样车技术概念及内容，了解具体仿真掌握汽车虚拟样车技术概念及内容，了解具体仿真流程。流程。6.2汽车虚拟试验汽车虚拟试验掌握汽车虚拟试验特点和优点，了解常用汽车虚拟掌握汽车虚拟试验特点和优点，了解常用汽车虚拟试验技术试验技术6.3汽车碰撞安全仿真汽车碰撞安全仿真掌握汽车碰撞安全仿真的研究内容、仿真过程，了掌握汽车碰撞安全仿真的研究内容、仿真过程，了解发展趋势解发展趋势6.4汽车主动安全系统开发汽车主动安全系统开发了解了解“V”字形开发模式以及汽车安全新技术字形开发模式以及汽车安全新技术1主要内容及要求主要

2、内容及要求6.1汽车数字化仿真技术汽车数字化仿真技术6.1.1仿真的基本概念与分类仿真的基本概念与分类 仿真仿真就是采用模拟真实系统的模型，通过对模型就是采用模拟真实系统的模型，通过对模型的分析和试验去研究真实系统的工作行为。的分析和试验去研究真实系统的工作行为。一、仿真的一般过程：一、仿真的一般过程：（1 1）建立数学模型；）建立数学模型；（2 2）模型变换；）模型变换；（3 3）编制仿真程序；）编制仿真程序；（4 4）进行仿真实验；）进行仿真实验；（5 5）仿真结果整理分析。）仿真结果整理分析。2二、数学仿真和物理仿真二、数学仿真和物理仿真物理仿真物理仿真是通过对实际存在的模型进行试验，以

3、研究是通过对实际存在的模型进行试验，以研究系统的性能，如风洞试验。系统的性能，如风洞试验。数学仿真数学仿真是利用系统的数学模型代替实际系统进行试是利用系统的数学模型代替实际系统进行试验研究，以获得现实系统的特征和规律。无需昂贵的验研究，以获得现实系统的特征和规律。无需昂贵的实物系统，也无需模拟生成客观真实环境的各种物理实物系统，也无需模拟生成客观真实环境的各种物理效应设备，而是建立数学模型，按数学模型选好合适效应设备，而是建立数学模型，按数学模型选好合适的算法，编好程序，在计算机上进行试验，再现和评的算法，编好程序，在计算机上进行试验，再现和评价客观世界的客观事物特性价客观世界的客观事物特性。

4、3三、仿真建模的基本要求三、仿真建模的基本要求仿真的三个基本要素是仿真的三个基本要素是系统系统、模型模型、计算机计算机联系着它们的三项基本活动是联系着它们的三项基本活动是模型建立模型建立、仿真模型建仿真模型建立立(又称二次建模又称二次建模)、仿真试验仿真试验物理系统计算机数学模型46.1.2汽车数字化仿真汽车数字化仿真实质：是以实质：是以计算机仿真技术计算机仿真技术为手段为手段, ,在汽车设计在汽车设计的全生命周期内的全生命周期内( (包括设计、测试、制造、应用和维包括设计、测试、制造、应用和维护的全过程护的全过程) )实施仿真、分析与评估。实施仿真、分析与评估。目的：尽可能在产品设计阶段目的

5、：尽可能在产品设计阶段, ,预测产品在设计预测产品在设计、制造、应用等阶段可能出现的问题、制造、应用等阶段可能出现的问题, ,进行全局优化进行全局优化。5仿真技术在系统研制中的应用仿真技术在系统研制中的应用阶段阶段应用内容应用内容概念化设计对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的设计方案设计建模建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意设计分析分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标设计优化调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化制造刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题样机试验系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚

6、拟样机试验，以确认设计目标系统运行调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化6数字仿真的工作流程数字仿真的工作流程建立数学模型建立数学模型建立仿真模型建立仿真模型编写仿真程序编写仿真程序仿真运行仿真运行修改仿真模型修改仿真模型修改程序修改程序仿真程序（仿真程序（多次运行优多次运行优化、统计）化、统计）合理？合理？修改系统模型修改系统模型处理结果处理结果分析结果分析结果7传统的汽车数字仿真：传统的汽车数字仿真： 将汽车抽象成一集中质量、弹性模型，建立系统将汽车抽象成一集中质量、弹性模型，建立系统的力学与数学模型，这些模型通常是微分代数方的力学与数学模型，这些模型通常是微分代数方程，然后对方程初

7、值问题的数值求解，得到系统程，然后对方程初值问题的数值求解，得到系统的响应，确定整车动力学参数与其性能之间的关的响应，确定整车动力学参数与其性能之间的关系。系。 局限性：信息量小、误差大、无法确定系统结构局限性：信息量小、误差大、无法确定系统结构或参数与性能之间的一一对应关系。或参数与性能之间的一一对应关系。86.1.3汽车虚拟样车技术汽车虚拟样车技术 指汽车产品设计开发过程中，基于其数字化原型指汽车产品设计开发过程中，基于其数字化原型，按实车的拓扑结构及其动力学参数，在同一系，按实车的拓扑结构及其动力学参数，在同一系统中将汽车各零件部件设计和分析技术融合在计统中将汽车各零件部件设计和分析技术

8、融合在计算机上制造出汽车产品的整体模型，并针对汽车算机上制造出汽车产品的整体模型，并针对汽车在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测其在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测其整车或系统性能，进而改进汽车零部件的设计，整车或系统性能，进而改进汽车零部件的设计，以提高其性能的一种新技术。以提高其性能的一种新技术。9汽车虚拟样车仿真技术的内容：汽车虚拟样车仿真技术的内容：(1)几何仿真几何仿真 整车结构的几何特性与装配关系的仿真整车结构的几何特性与装配关系的仿真(2)性能仿真性能仿真 动力学性能和动力学特性的仿真动力学性能和动力学特性的仿真10虚虚拟拟样样车车建建模模流流程程116.2.1虚拟试验

9、的定义虚拟试验的定义 任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境，完成实际物理试验的方法和技术都可以称为，完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚虚拟试验拟试验。 也可以简单的定义为在虚拟环境中进行的试验。也可以简单的定义为在虚拟环境中进行的试验。 目的：尽量减少物理样机目的：尽量减少物理样机6.2汽车虚拟试验汽车虚拟试验126.2.2虚拟试验的优点虚拟试验的优点(1) 可以大幅度可以大幅度减少减少样机制造样机制造试验次数试验次数，缩短缩短新产新产品品试验周期试验周期，同时，同时，降低实际试验的费用降低实际试验的费用。(2) 虚拟试验技术应用与复杂产品

10、的开发中，可以虚拟试验技术应用与复杂产品的开发中，可以实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈，实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈，使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。(3) 虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放回放、再现和重复、再现和重复。136.2.3 VTL与与VPG1.虚拟试验室（虚拟试验室（Virtual Test Lab), 简称简称VTL，是由，是由各种软硬件组成的物理试验台的虚拟再现。各种软硬件组成

11、的物理试验台的虚拟再现。2.虚拟试验场技术虚拟试验场技术(Virtual Proving Ground),简称简称 VPG 技术，即是一个对整车系统性能全面仿真实技术，即是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。用软件的代表。VTL和和VPG技术都是汽车技术都是汽车CAE技术领域的新代表。技术领域的新代表。14使用使用VTL的新车开发过程的新车开发过程一、一、VTLVTL虚拟试验室虚拟试验室15使用使用VTLVTL时的数据流时的数据流16VPG汽车虚拟试验场汽车虚拟试验场 汽车试验场是由各种试验道路、试验场地、试验室汽车试验场是由各种试验道路、试验场地、试验室以及各种辅助建筑等组成的综合性试

12、验设施，用来以及各种辅助建筑等组成的综合性试验设施，用来确定汽车的确定汽车的结构参数结构参数及其及其基本使用性能基本使用性能:可靠性、可靠性、耐久性、坚固性耐久性、坚固性、动力性、制动性、通过性、操纵、动力性、制动性、通过性、操纵性、稳定性、行驶平顺性、安全性和燃料经济性等性、稳定性、行驶平顺性、安全性和燃料经济性等等。等。 由于试验场内有些试验路段是模拟车辆的实际使用由于试验场内有些试验路段是模拟车辆的实际使用工况，使车辆的零部件所产生的典型损坏性能与实工况，使车辆的零部件所产生的典型损坏性能与实际使用时的情况基本相同，而且能在很短的试验里际使用时的情况基本相同，而且能在很短的试验里程内即可

13、获得试验结果，因此可以大大缩短试验时程内即可获得试验结果，因此可以大大缩短试验时间，提高试验效率。间，提高试验效率。17为了进行汽车试验而建设起来的试验场，是一个占为了进行汽车试验而建设起来的试验场，是一个占地面积几十平方公里的大型综合性试验基地。它包括各地面积几十平方公里的大型综合性试验基地。它包括各种车辆实际可能遇到的一切典型使用条件的模拟设施：种车辆实际可能遇到的一切典型使用条件的模拟设施：例如能进行车速超过例如能进行车速超过200km/h的高速环行跑道，能进的高速环行跑道，能进行各种性能测试的道路，能进行强化试验的各种路面、行各种性能测试的道路，能进行强化试验的各种路面、地面，有各种坡

14、道、滑台、涉水池以及相应的室内试验地面，有各种坡道、滑台、涉水池以及相应的室内试验设备。设备。汽车可以在这种试验场中完成各种性能寿命试验，汽车可以在这种试验场中完成各种性能寿命试验，虽然这种设施耗费巨大，投资数以亿元计，但是由于在虽然这种设施耗费巨大，投资数以亿元计，但是由于在试验场里能深入研究汽车产品的各种性能，缩短试验周试验场里能深入研究汽车产品的各种性能，缩短试验周期，从而提高试验结果的可比性和试验工作的安全性。期，从而提高试验结果的可比性和试验工作的安全性。18VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(1) 分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车分析对象不再是分开的各个零部件，而是

15、包括车身模型、悬挂系身模型、悬挂系(弹簧、减振器、动力控制臂弹簧、减振器、动力控制臂)、转向、转向梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。这样，车身和悬挂系统与转向系统间难以明确的作用这样，车身和悬挂系统与转向系统间难以明确的作用力关系已包含在分析模型之内。力关系已包含在分析模型之内。19VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(2) 分析模型数据库化分析模型数据库化 计算模型建模工作量很大，但是，除车身模型是车型计算模型建模工作量很大，但是，除车身模型是车型分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎是完全可以实

16、现数据库化的。是完全可以实现数据库化的。 当前悬挂数据库保存有十种结构数据库。模型数据库当前悬挂数据库保存有十种结构数据库。模型数据库还有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模还有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模型等可供用户引用。型等可供用户引用。20VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点 模型数据库举例模型数据库举例21VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(3) 提供了全面的路面载荷提供了全面的路面载荷 VPG软件提供了标准典型的路面模型，是通常整软件提供了标准典型的路面模型，是通常整车试验标准考核路面。例如：交替摆动路面车试验标准考核路面。例如：交替摆动路面(alter

17、nate roll)、槽形路、槽形路(pothole tracks)、鹅卵石、鹅卵石路路(cobblestone tracks)、大扭曲路、大扭曲路(body twist lane)、波纹路、波纹路(ripple tracks)、搓板路、搓板路(washboards)以及比利时石块以及比利时石块(belgian block)等。等。用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用任意三维数据构造特定的路面。任意三维数据构造特定的路面。22VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(4) 计算技术分析内容多样化计算技术分析内容多样化 可以进行疲劳寿命计算、振动噪

18、声分析计算、车辆可以进行疲劳寿命计算、振动噪声分析计算、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非线性分析。线性分析。 同时可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用同时可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研究。究。 国内目前有交通部公路交通试验场、襄樊汽车试验国内目前有交通部公路交通试验场、襄樊汽车试验场和定远国家试验场等。场和定远国家试验场等。23襄樊汽车试验场全景图襄樊汽车试验场全景图246.3.1汽车碰撞安全仿真的研究内容汽车碰撞安全仿真的研究内容试

19、验从以下五个方面来进行：试验从以下五个方面来进行：1）正面碰撞）正面碰撞2）后部碰撞）后部碰撞3）侧面碰撞）侧面碰撞4）顶部压垮）顶部压垮5）侧门强度）侧门强度6.3汽车碰撞安全仿真汽车碰撞安全仿真25试验的要研究的内容：试验的要研究的内容：1）车身结构的耐撞性研究）车身结构的耐撞性研究2）碰撞生物力学研究）碰撞生物力学研究3）乘员约束系统研究）乘员约束系统研究4）安全内部饰件研究）安全内部饰件研究266.3.2汽车碰撞安全仿真的一般过程汽车碰撞安全仿真的一般过程第一步写出显式有限元方程；第一步写出显式有限元方程；第二步根据显式有限元方程建立汽车整车有限元模第二步根据显式有限元方程建立汽车整车

20、有限元模型；型；第三步安置正面碰撞假人模型；第三步安置正面碰撞假人模型；第四步进行各种状况的碰撞安全仿真第四步进行各种状况的碰撞安全仿真27汽车碰撞安全仿真的发展趋势：汽车碰撞安全仿真的发展趋势：1）提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技术）提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技术发展的核心；发展的核心；2）发展新的人体模型模拟技术；）发展新的人体模型模拟技术；3）寻求接触搜寻新算法；）寻求接触搜寻新算法；4）研究降解积分新技术；）研究降解积分新技术；5）子循环技术。）子循环技术。286.4.1控制器控制器“V”字形开发模式字形开发模式开发阶段和过程：开发阶段和过程：1）功能描述及设计）功能描述及

21、设计2）原型设计）原型设计3）产品级代码生成）产品级代码生成4）系统测试及检验）系统测试及检验5）系统整合）系统整合6.4汽车主动安全系统开发汽车主动安全系统开发29“V”形开发模式301）先进汽车主动安全控制技术）先进汽车主动安全控制技术2）智能乘员约束技术）智能乘员约束技术3）汽车侧面碰撞保护技术）汽车侧面碰撞保护技术4）行人碰撞保护技术）行人碰撞保护技术5）儿童乘员保护技术）儿童乘员保护技术6）汽车防撞预警系统）汽车防撞预警系统7）疲劳驾驶预警系统）疲劳驾驶预警系统6.4.26.4.2汽车安全新技术汽车安全新技术311）先进汽车主动安全控制技术）先进汽车主动安全控制技术 主动安全性是指汽

22、车避免发生意外事故的能力。主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力。 主动安全性包括主动安全性包括行驶安全性、环境安全性、感觉行驶安全性、环境安全性、感觉安全性和操作安全性安全性和操作安全性。 汽车的行驶安全性是指汽车的装备保证汽车运行汽车的行驶安全性是指汽车的装备保证汽车运行安全，同时具有最佳的动态性能的能力，也就是安全，同时具有最佳的动态性能的能力，也就是通常说的良好的通常说的良好的制动性能、操纵稳定性、动力性制动性能、操纵稳定性、动力性和通过性和通过性。32电子稳定程序电子稳定程序ESP(b)在急转弯车道上高速行在急转弯车道上高速行驶时运动工况驶时运动工况(c)在地面附着力不同的路面装在

23、地面附着力不同的路面装备与未装备备与未装备ESP车辆行驶效果车辆行驶效果对比对比(a)躲避前方突然出现障碍物运动工况躲避前方突然出现障碍物运动工况ESP典型工作工况典型工作工况332）智能乘员约束技术）智能乘员约束技术智能安全气囊智能安全气囊气囊式安全带气囊式安全带乘员头颈保护系统乘员头颈保护系统34气囊式安全带气囊式安全带气囊式安全带气囊式安全带结合传统的安全带和结合传统的安全带和安全气囊技术，在汽车碰撞时，安安全气囊技术，在汽车碰撞时，安全带在乘员躯干和肩膀处展开成气全带在乘员躯干和肩膀处展开成气囊。囊。353）汽车侧面碰撞保护技术）汽车侧面碰撞保护技术侧面安全气囊和气帘侧面安全气囊和气帘

24、 奔驰侧面安全气帘奔驰侧面安全气帘 乘员之间独特的安全气囊乘员之间独特的安全气囊364）行人碰撞保护技术）行人碰撞保护技术智能安全保障系统智能安全保障系统发动机盖弹升技术发动机盖弹升技术行人安全气囊系统行人安全气囊系统37带全力自动刹车的行人探测系统带全力自动刹车的行人探测系统38发动机盖弹升技术发动机盖弹升技术加速度传感器检测撞到行人加速度传感器检测撞到行人ECU收到信号，进行判断，若收到信号，进行判断，若速度超过速度超过25km/h以上，则发出点以上，则发出点火命令火命令发动机盖弹起发动机盖弹起39行人安全气囊系统行人安全气囊系统405 5）儿童乘员保护技术）儿童乘员保护技术BMW婴儿座椅 BMW儿童座椅（小）BMW儿童座椅（大）416 6）汽车防撞预警系统）汽车防撞预警系统通过雷达、超声波、激光、红外线等检测通过雷达、超声波、激光、红外线等检测手段，测定汽车与障碍物的距离。电脑根手段，测定汽车与障碍物的距离。电脑根据事先储存的程序，判断出有碰撞的危险据事先储存的程序，判断出有碰撞的危险时，向驾驶员发出警报。如果驾驶员未能时，向驾驶员发出警报。如果驾驶员未能及时采取措施，则向制动器、转向器等发及时采取措施，则向制动器、转向器等发出指令，使制动器制动