汽车数字化开发技术-第七章汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用

第七章汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用汽车数字化开发技术数字开发有哪些技术，具体应用、与传统开发相比有哪些优势？例如：CFD技术（计算流体动力学），是研究流体在基本控制方程下运动的数值模拟方法。用于计算分析汽车外流场，与传统的风洞试验相比，CFD方法不需要实车模型，具有周期短、成本低、可反复计算等优点。思考：11）仿真的三个基本要素是：

复习：2物理系统计算机数学模型系统、模型、计算机2）汽车虚拟样车仿真技术的内容：(1)几何仿真，整车结构的几何特性与装配关系的仿真；(2)性能仿真，动力学性能和动力学特性的仿真。33）虚拟试验的优点：(1)可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，降低实际试验的费用。(2)可以实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈。(3)可对试验过程进行回放、再现和重复。44）汽车碰撞安全仿真试验从哪几个方面进行？要研究的内容包括哪几个？试验从哪五个方面进行：（1）正面碰撞（2）后部碰撞（3）侧面碰撞（4）顶部压垮（5）侧门强度。研究的内容包括：（1）车身结构的耐撞性研究（2）碰撞生物力学研究（3）乘员约束系统研究（4）安全内部饰件研究。55)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发展的核心；(2)发展新的人体模型模拟技术；(3)寻求接触搜寻新算法；(4)研究降解积分新技术；(5)子循环技术。6第七章汽车虚拟现实技术在汽车开发中的应用汽车数字化开发技术3.1虚拟现实技术的概述3.2虚拟环境的建立3.3产品的虚拟原型3.4数字制造3.5数字工厂83.1.1虚拟现实的定义3.1.2虚拟环境开发的目的3.1.3虚拟现实在各个领域的应用3.1虚拟现实技术的概述9是一种为改善人与计算机的交互方式、提高计算机可操作性的人机界面综合技术。它通过高速图形计算机、头盔显示器或其他三维视觉通道、三维位置跟踪器和立体声音响，使计算机用户能够沉浸到计算机屏幕所显示的场景中去，从而产生一种类似“幻觉”的人工三维环境——“虚拟环境或灵境”。3.1.1虚拟现实的定义10虚拟现实的组成包括用户（操作者）、机器及人机接口三个基本组成部分。借助虚拟显示技术，可以对现实世界的事物进行动态仿真。计算机屏幕显示的场景能够跟踪用户的输入，及时按照输入信息修改场景，使用户和虚拟环境之间建立起实时交互性关系，进而使用户产生身临其境的沉浸感觉。11虚拟环境的特征121）为了方便设计师对产品各方面包括外观、零部件间的关系、性能等方面做出评价，以减少设计上的错误和最大限度地满足客户需求。2）为了缩短产品的设计周期和节省试制费用，避免多次制造样机。3）为了使数字化产品模型具有更强的人机交互功能，使用户能在虚拟环境中感觉到产品的存在。4）为了方便产品设计开发人员、生产管理人员、营销人员组成的团队可以从不同角度对产品的设计方案进行讨论。3.1.2虚拟环境开发的目的13虚拟现实在工程中的应用虚拟现实在医学中的应用虚拟现实在航天和军事中的应用虚拟现实在商业中的应用在娱乐、艺术和教育中应用虚拟现实在车辆工程方面的应用3.1.3虚拟现实在各个领域的应用143.2.1人机交互方式发展历程3.2.2具有沉浸感虚拟环境的特点3.2.3虚拟环境硬件配置3.2.4虚拟环境软件配置153.2虚拟环境的建立5个阶段：1）传统的屏幕显示、键盘和鼠标2）从三维图形到观看“桌面虚拟现实”3）头盔显示器和双筒全景显示器（具有沉浸感）4）数据手套和触觉反馈装置5）超大屏幕或全景虚拟环境（多用户深度沉浸感）3.2.1人机交互方式发展历程161）采用与人体位置有关的观察方法，从而提供了在三维空间中运动的视觉界面，为用户在虚拟环境中东张西望、走进走出或飞越创造了基本条件。2）超大屏幕的立体景观加强了空间的深度和广度，全景虚拟环境将与人的身材大小相适应。3）通过数据手套、操纵杆、遥控器空间球和立体鼠标等装置可以操纵和控制虚拟对象。4）立体声场、触觉以及其他非视觉技术的应用大大加深了虚拟环境的沉浸感。5）在不同地点的人通过网络可以分享虚拟环境，在虚拟空间中相会、交谈和动作交互。（多用户）3.2.2具有沉浸感虚拟环境的特点17具有沉浸感的虚拟环境硬件系统包括：一、可视化视觉通道二、虚拟幕墙三、全景空间四、立体声场的听觉通道五、语言、位置和姿态输入装置3.2.3虚拟环境硬件配置181）头盔显示器2）双筒全方位显示器3）虚拟桌面和虚拟幕墙4）全景虚拟环境一、可视化视觉通道19头盔显示器20头盔前方的小盒有两个小液晶显示屏，利用光学原理让左右眼看到的图像略有差别以达到立体效果。位置追踪器能够不断测量用户头部的位置和方向，并将计算机生成的场景调整到与头部位置和姿态相适应的场景，使用户可以在各个角度观看生成的虚拟产品。可以提供立体场景显示、立体声音输出以及头部位置跟踪的功能。双筒全方位显示器21针对头盔显示器戴上不舒适感进行了改进，同时分辨率上有所提高。通过多连杆机构在操作范围的任意移动，达到位置跟踪的效果。虚拟桌面22与头盔显示器和双筒全方位显示器相比可供多用户同时使用。在操作者可以通过数据手套、位置跟踪器等实现人机交互。虚拟幕墙23可供用户10人左右建立全景虚拟环境（CAVE)的目的：1）生成高清晰度全彩色的逼真影像，改善周边视野效果；2）减少用户负重的硬件，消除头部转动的误差；3）开发能够同时看到现实世界和虚拟世界的显示装置；4）开发能够与超级计算机联网的可视化的工具和数据源。全景虚拟环境（CAVE）2425利用CAVE开发奔驰新车型数据手套操纵杆操纵手轮三维控制装置五、语言、位置和姿态输入装置26数据手套27数据手套(DataGlove)是一种把手势输入计算机的工具。戴上数据手套后，当手活动时手套检测这些活动，并向计算机送出相应数据，计算机将这些数据转化为虚拟手的动作，如握拳、手平直、伸出食指等。根据系统的规定，不同的手势可以表示不同的控制指令，例如用手平直指出飞行的方向，用握拳表示返回等。为了实现在虚拟现实中的漫游，必须知道浏览者在三维空间中的位置和方向，尤其是必须知道头部的位置与方向，以相应地改变场景。这就需要位置跟踪器跟踪头部的位置与方向，也就是需要位置跟踪器描述物体的3D位置。目前采用的位置跟踪器有磁场式、超声波式、红外线式及发光二极管式等，但使用较多的是磁场式及超声波式。三维（3D）位置跟踪器28虚拟现实应用工具箱——MRTK软件包虚拟现实系统应用工具箱——WTK程序包CDK（CyberspaceDeveloperKit)软件包虚拟现实建模语言VRML3.2.4虚拟环境软件配置293.3.1虚拟原型的概念3.3.2建立虚拟原型的主要步骤3.3.3虚拟原型的应用303.3产品的虚拟原型虚拟原型(VirtualPrototypling)是利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。它是在CAD模型的基础上，使虚拟技术与仿真方法相结合，为原型的建立提供的新的方法。虚拟原型技术可用来快速评价不同的设计方案，与物理原型相比较，虚拟原型生成的速度快，生成的原型可被人们直接感触、操纵和修改，且数据可被重新利用。运用虚拟原型技术，可以减少且甚至取消物理原型的制作，从而加速新产品的开发进程。313.3.1虚拟原型的概念为使用现有的软件，并将虚拟原型集成到产品开发过程中，还需要下列两个接口：1）虚拟环境和外部工具之间的接口。2）与产品数据模型库的接口。虚拟原型不是要代替现有的CAD技术，而是在CAD数据的基础上进行工作，虚拟原型给所设计的物体提供了附加的功能信息。产品数据模型库将包含完整的、集成的产品模型数据及管理，从而为产品开发过程各阶段提供共享的信息。321)从CAD／CAM模型中取出几何模型。2)镶嵌：用多面体和多边形逼近几何模型。3)简化：根据不同要求删去不必要的细节。4)虚拟原型编辑：着色、材料特性渲染、光照渲染等。5)特征轮廓的粘贴，以更好地表达某些细节。6)增加周围环境和其他要素的几何模型。7)添加操纵功能和性能。333.3.2建立虚拟原型的主要步骤汽车转向盘的嵌砌和简化模型34边界缝补示意35驾驶仪表盘照片的粘贴361）汽车虚拟原型3.3.3虚拟原型的应用372）工程机械虚拟原型38JohnDeere公司的装载机虚拟原型3）虚拟维修4）虚拟风洞393.4.1数字制造的定义一、定义：数字制造又称虚拟制造，可以定义为“借助建模和仿真技术提高制造企业各层面决策和控制水平的、集成化的、在计算机上人工合成的制造环境”。是数字化开发的重要组成部分，可以检验关键零件的可制造性以及整机的易装配程度。3.4数字制造40二、数字制造虚拟环境的组成：1）虚拟机器建模环境2）虚拟产品设计环境3）虚拟产品制造环境4）虚拟产品装配环境41三、虚拟制造的特点(1)集成性：虚拟制造包含了虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配等过程。其次，各子过程并不是独立运行的，而是彼此之间相互影响、相互支持，共同完成对实际制造过程的分析与仿真。(2)反复性：虚拟制造大多数环节都遵循“方案拟定——仿真评价——方案修改”的一个多次反复的工作流程。(3)并行性：指的是分布在不同节点的工程技术人员、计算仿真资源和数据知识资源，在计算机网络和分布式虚拟现实环境下，针对生产中的某一任务，群组协调工作。(4)人机交互性：虚拟制造通过虚拟现实环境将计算机的计算和仿真的过程与人的分析、综合和决策的过程有机地结合起来。42虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确性，及早发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划。虚拟装配系统包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作模拟等。3.4.2虚拟装配过程4344虚拟装配场景示意3.5.1数字工厂的定义数字工厂是一个集成化的虚拟仿真环境，它将制造企业信息管理系统与虚拟制造的各种应用结合到一起，提供了一个从产品设计到产品废弃的全生命周期数据管理平台。3.5数字工厂45UGS公司提供的数字工厂基本框架46原型车的构建的步骤：(1)计算察看方向；(2)分析用户接触；(3)渲染。3.5.2数字工厂的应用4748第八章产品开发的组织和管理汽车数字化开发技术CIMData公司总裁EdMiller认为：PDM是一门用来管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。在计算机网络中，对产品数据进行安全的存储、分配、追踪、监测、更新以及控制。产品数据管理（PDM）50511）产品增值链的核心环节2）应用系统的集成平台3）数据安全性的重要保证4）虚拟（数字化）产品的管理工具5）知识管理系统的重要组成部分6）电子商务的核心技术7）产品全生命周期管理的基础产品数据管理系统的作用521.电子数据仓库和文档管理2.工作流程和过程管理3.产品结构和配置管理4.分类和检索5.过程和项目管理产品数据管理系统的基本功能531）简述有限元分析的基本步骤。2）逆向工程的主要过程可分为（）、（）和（）。3）

结构离散就是将求解区域分割成具有某种几何形状的单元，也称为()。A.几何建模

B.划分网格

C.划分边界

D.单元分析4）CAE技术应用非常广泛，可用于以下()A.虚拟实验

B.VPGC.VRD.CFDE.有限元分析54习题：5）FOA使用（）来进行拓扑优化，为新结构的设计、优化提供启示，并提出一些结构修改的建议。6）以()、(

)为基础的数字化设计技术和以()为基础的数字化制造技术，是产品数字化开发技术的核心55附录资料：不需要的可以自行删除节能与新能源汽车

--纯电动汽车目录1概述2新能源汽车现状

3

纯电动汽车技术原理及优势4纯电动汽车商业模式简介5远期展望概述基本概念以内燃机为主要动力系统，综合利用各种技术降低油耗的叫节能汽车。

“新能源汽车”是指采用新型动力系统，使用非石油燃料的汽车。规划中的新能源汽车主要是指纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车。纯电动汽车是以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆。纯电动汽车的特点：结构相对简单，生产工艺相对成熟。新能源汽车现状国外政策世界各国普遍将发展电动汽车确立为节能减排的重要途径和政府战略性计划，出台各类发展鼓励政策和行动计划。序号国家/区域鼓励政策行动计划1美国《2001年美国未来能源保证法案》《美国新的综合性能源计划》《美国下一代电动汽车协议》未来10年投入10亿美元，至2015年普及100万辆插电式混合动力汽车2欧盟欧洲汽车制造商协会《2010税收导则》，除意大利和卢森堡，所有西欧国家出台了对电动车的减税、免税或补贴政策奥地利：25万辆推广计划丹麦：2020年，电动汽车占新售车辆1/10西班牙：2014年普及100万辆3德国《国家电动车发展计划》，2009-2012年投入5亿欧元用于纯电动和插电式混合动力汽车的研发产业化到2020年、2030年分别普及100万辆和500万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车4法国《新车置换金》《法国清洁汽车购买奖励体系》2015年推广电动汽车10万辆5英国《私人购买新能源汽车补贴细则》低碳汽车示范运行与研发资助政策2015年推广电动汽车24万辆6日本《下一代汽车的补助金制度》《日本电动汽车购买补助手册》到2020年普及以电动汽车为主体的“下一代汽车”达到1350万辆新能源汽车现状电动汽车科技发展“十二五”专项规划 形成“三横三纵三大平台”（三纵：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；三横：电池、电机、电控;三大平台：标准检测、能源供给、集成

示范战略重点与任务布局）

国内政策新能源汽车已经成为我国七大战略性新型产业之一《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020）》

汽车工业转型的主要战略取向——纯电驱动当前重点推进——纯电动汽车和混合动力汽车产业化推广普及：非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车

新能源汽车现状国内发展状况经过多年的酝酿，国内纯电动汽车日趋成熟，有多款电动车已取得国家公告吉利熊猫EK电动汽车系列动力源：铅酸电池最高车速：80km/h北汽福田迷迪纯电动轿车动力源：锂电池组续航：100—150公里

东风风神，EJ02纯电动汽车动力源：磷酸铁锂电池，电机类型：风神采用永磁同步电机长安奔奔MINI纯电动汽车动力源：磷酸铁锂电池组电机类型：永磁直流无刷电机

比亚迪E6纯电动汽车动力源：铁电池续航：200—300公里

众泰2008EV纯电动汽车动力源：锂离子电池续航：300公里纯电动汽车纯电动汽车技术原理分类和领域分类领域整车共性技术

整车和系统集成网络通讯和控制技术强电安全技术电磁兼容性技术整车轻量化技术整车匹配标定和试验技术系统标定和优化技术智能感应及显示技术故障诊断和容错控制技术热管理技术纯电动汽车核心技术分类领域控制系统关键技术电制动技术安全技术控制软件开发仿真系统设计诊断技术车用驱动电机系统关键技术驱动电机及其控制技术系统集成系统热管理位置/转速传感器高性能绝缘材料高性能永磁材料电力电子元器件IGBT车用动力电池系统关键技术

动力电池及成组技术系统集成电池管理系统正负极材料锂离子电池隔膜纯电动汽车核心技术分类领域电动辅助系统关键技术电空调电转向电制动电动汽车的主要组成和核心部件“三大件”驱动系统电动汽车的心脏驱动系统的功用是将存储在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能，并能够在汽车减速制动时，将车轮的动能转化为电能充入蓄电池中。实现一种“再生”效应。驱动系统包括：电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮等。常用的驱动电机：

1、直流有刷电动机、

2、交流感应电动机、

3、开关磁阻电动机、

4、无刷直流电动机及永磁同步电机控制系统对驱动机的控制

主要功能是根据驾驶员的操作和当前的工况，在保证安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式。动力源电池管理系统电池组锂离子电池铅酸蓄电池镍氢蓄电池镍镉蓄电池钠硫蓄电池重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长；它是一种真正的绿色节能环保电池可靠性好、原材料易得，价格便宜；性能差，