虚拟产品开发技术在汽车开发中的应用

虚拟产品开发技术在汽车开发中的应用

1.2数字化试验模型的取代模型目前，现代化国家广泛采用caid-cae-cae-pdm技术，实施和实施项目（ce），显著提高了汽车设计水平，显著缩短了汽车开发周期。然而，随着世界经济一体化环境的形成，以及汽车行业标准的竞争加剧，许多公司认为，在引入新产品的上市时间方面，缩短车辆与用户之间的距离，并寻求设计与实施的成功并不能取得实质性进展。例如，如何在并行工程实施中充分规划汽车生命周期的各个阶段，是一个难题。为了最大限度地缩短产品的开发周期，降低成本，标准模型是否可以采用（v系列模型）。客户越来越多地从情感和美学的角度选择产品，也可以直接参与产品的开发，包括现场测试产品性能和真实感受产品的使用性和艺术性能。汽车的虚拟开发人员（vpd）。2vld技术2.1虚拟产品.虚拟产品开发是将产品设计分析、测试、制造等整个产品开发过程在计算机虚拟环境中的映射.它是以计算机仿真和产品生命周期建模为基础,集计算机图形学、人工智能、网络技术、数据库技术、并行工程、多媒体技术和虚拟现实技术为一体的综合系统技术.它利用虚拟现实技术的交互性(Interaction)、沉浸性(Immersion)和想象性(Imagination)达到虚拟产品开发环境的高度逼真化,并使人可以对虚拟原型直接进行交互操作,产生身临其境的感觉.虚拟产品开发技术不仅可实现并行的、闭环的工作模式,还可以促进远程协同产品开发的实现.虚拟产品的概念是未来产品开发关键技术的标志.2.2实现与创新的信息虚拟产品开发技术为开发工作提供了一个优良的设计环境及支持工具,在虚拟设计环境中,对产品的构思可现场直接反映在三维模型的界面上,通过虚拟环境的人机交互设备,使设计人员能够置身于虚拟环境中,能够在现场自然地进行方案的构思,在产品的设计阶段就可以考虑其设计的可行性、工艺性、可靠性、可维护性、经济性等,从而达到全局优化和一次性开发成功的目的.虚拟产品开发技术不仅可真正实现设计与过程的集成,同时它还可以有效地组织市场信息、技术信息、资源信息,促进异地分布式协同产品开发的实现和为创新产品开发提供良好的运行条件和机制.笔者认为一个完整的虚拟产品开发环境,应具有如下功能特点:(1)设计师在设计过程中可以观察和感受设计对象,并且由于虚拟设计过程对用户是透明的,故用户可以参与设计、验证设计.(2)在进行性能和人机工程学方面评价时,允许人直接参与操作模拟.(3)在虚拟设计完成之后,用户可以在虚拟环境中验收整个设计的最终结果——虚拟产品,“巡视”设计的部分细节,以及能对未来真实的产品得到很真实的体验,根据用户对具体产品的印象和感觉,对验证后感到不满的地方及时进行修改.(4)制造商可以在虚拟环境中试装配产品并检验产品的可装配性;可以进行产品(例如汽车)生产线的生产工艺、组装流程和检验维修的虚拟模拟,以开发最优的生产流程和检测并消灭隐患.(5)设计的最终结果——虚拟产品或虚拟样机可以减少或取消对物理模型的需求.(6)虚拟设计环境所支持的组装和维修功能将大大提高维修和组装效率,减少维修、培训时间.(7)用户可以通过与真实产品或样机对应的虚拟产品或虚拟样机,培训使用者.(8)虚拟产品开发是面向网络化、全球化的行为,能有效地改善产品开发的并行性.具有功能虚拟化、组织虚拟化、地域虚拟化的特征,其工作方式可以为虚拟公司或动态联盟.3虚拟产品技术尽管虚拟产品开发技术的出现只有短短的几年,但已对工业界产生了巨大的影响,最典型的例子是在波音777和欧洲空中客车制造中的应用,其开发周期从原来的8年和4年降至如今的5年和2年半.因此虚拟产品开发技术越来越受到工业界的广泛重视,并成为制造业的研究热点.下面仅介绍虚拟产品开发技术在汽车开发中的有关应用技术及进展.3.1虚拟油泥建模工具传统的计算机辅助造型(CAS)或计算机辅助工业设计系统(CAID)由于与产品设计存在着距离感,这种距离感源于使用像鼠标和键盘这样非直接的交互以及抽象的建模方法.设计师们认为现有CAS或CAID系统常常在初始概念设计阶段对发挥设计者的创造性起不到足够的辅助作用,而所提供的功能(诸如多种多样的渲染技术)对设计草图进行后期的细化和精确化是十分合适的.因此,在开发新的CAS或CAID系统时,应充分考虑设计者的可视化思维方式与工作方式,提供合适的功能和有利于表达设计者的意图的符合人机工程的交互式技术.虚拟油泥建模可以适应创造性设计过程所提出的直观性要求.虚拟油泥建模工具与真正的油泥建模相一致,也可以进行刮、削、扫这样的操作.其建模的交互式设计过程主要通过三维感觉来支持.虚拟现实技术使得立体视觉描述成为可能.由于虚拟油泥建立的体素模型具有分层特性,故把虚拟油泥建模与快速原型装配相连是可行的,而且也并不复杂,这样其物理模型能通过快速原型方法被迅速制作出来.当前,UGS公司的Unigraphics基于过程的汽车造型软件中可以用“电子油泥”(ElectronicClay)给出汽车外部和内部的“形状”,从而通过数字化的概念分析来充分发挥设计者的创造性并减少物理模型的制造.3.2显示不出汽车的真实尺寸,这是青少年仿真的重点现任法国雷诺汽车公司设计部CGI经理的布鲁诺·西蒙发现,“完全由计算机计算的”图像在评估汽车设计时有两大缺点:其一,显示不出汽车的真实尺寸,如1991年雷诺汽车公司制作的概念车,通过观看计算机成像往往被认为是一辆小型车,而实际上它是很大的.其二,在完全由数字控制的背景下,没有一点生命力.于是雷诺的设计师提出了更高的要求:在动态背景下看到一个概念车并且让人想象到它的质量、比例大小及与周围环境的关系、美学方面的体现,从而更有效地评价.3.3人体工程模型现代汽车设计强调以人为中心,车身布置必须满足人体工程学的设计要求,从乘员的舒适性出发,利用人体工程学的研究成果来确定乘员所必须的空间,并保证驾驶员的操作方便性、准确性、视野性、乘坐的方便性、安全性等方面.虚拟产品开发技术比传统的CAD技术能更好地适应这种要求,将上述各种条件集成在设计过程中,可减少用于验证设计概念所需的模型个数.德国开发商Tecmath研制了一套名为“Ramsis”的人体工程学模型系统.这个系统可以用来客观地评价汽车驾驶室的人体工程学性能.将这个人体工程学模型引人虚拟环境,人们便可操纵一个虚拟人使它移动到不同位置,用户可以为这个虚拟人选定视点和坐姿,虚拟人在软件的控制下试坐各种可能的位置.该系统可用于考察概念车中人的座椅与周围物体的关系;观察者通过虚拟人可以查看司机的视觉条件;检查仪表盘是否位于最佳视锥覆盖范围之内;观察人体后倾时的状况,即所谓的“C-pillar”位置.英国航空实验室实施了一项用于概念验证的项目.研究人员用CAD技术制造了一辆Rover400型轿车的内部构造和一种图形编程语言.系统由一个VPL公司生产的高分辨率头盔显示器、一个数据手套、一个三维系统音响、一台SGI工作站组成.系统为用户提供一个真实的轿车座舱,设计人员能够精确研究轿车内部的人体工程学参数,并且在需要时可以修改虚拟部件的位置,进而可以在仿真系统中重新设计整个轿车的内部.如设计人员可以将方向盘抓住并从轿车的右边移动到左边,这样可帮助设计人员为不同的用户设计出不同要求的轿车.设计人员可以“设身处地”地进行内部布局,并检验其方便程度.3.4虚拟试验传统的风洞实验方法,通过使用烟雾气使人们可以用肉眼直接观察到气体与车身的作用情况,因而大大提高了人们对车身动力学特性的了解.但是各大汽车公司都是用实车的1/4模型放在风洞实验场实验,由于模型与实物大小的不同,所以实验结果和实际情况有一定误差,并且人无法近距离观察试验情况.虚拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场,感到好像真的站在风洞里一样.虚拟风洞的目的是让设计师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等,而这些分析利用通常的数字仿真是很难实现可视化的.系统可以将一个汽车的CAD模型数据调入到该虚拟风洞进行性能分析.分析空气流的模式可以通过数据手套将轨迹追踪物注入到空气流中,该追踪物将随气流漂移,并将其运动轨迹显示给用户.数据手套可将追踪物投向任意指定的位置,用户可以从任意视角观察.美国国家航空航天局(NASA)就建立了这样一个虚拟风洞系统,该系统使用三维工作站产生空气流动场的可视化图像,用户通过BOOM显示器和数据手套与虚拟场景进行交互.数据手套用作烟的生成器,以便用户能观察到局部气流的流动情况.这一系统为飞行器、汽车等产品的空气动力学分析提供了直观的手段,且分析人员可以在风洞内进行观察.3.5关于汽车安全的研究—汽车安全性研究——汽车碰撞虚拟仿真3.6汽车性能的虚拟开发CAE在汽车整车性能评价与仿真中应用的最主要障碍在于那些五彩缤纷的运行环境和错综复杂的驾驶员感受与反应,难以用数学模型来表达.汽车整车性能的虚拟开发系统的出现,用虚拟环境来模拟复杂多变的环境,用真实驾驶员进行仿真驾驶,使这些难题和仿真评价取得了突破性的进展.目前,汽车工业发达的国家,例如德国BENZ公司、大众公司、瑞典国家交通研究所(VTI)、美国通用汽车公司、福特公司、日本的丰田、尼桑、马兹达都研制过不同型式的汽车性能虚拟开发系统.日本汽车研究所(JARI)正在研究用来分析老龄驾驶员的特性与对汽车需求的汽车性能虚拟开发系统.美国lowa大学在国家投资支持下正在筹建一个世界上规模最大的汽车虚拟开发系统.我国吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验室,已建成规模与功能仅次于BENZ公司的汽车性能虚拟开发系统,目前居世界第二位.该设备包括模拟舱、运动模拟系统、实时控制与运算系统、视景模拟系统、声响模拟系统、触感模拟系统和中央控制台等.该系统运行时,装有各种操纵传感器的真实汽车(或驾驶室,可不包括发动机)装入模拟舱.驾驶员在虚拟现实的环境中操作汽车.汽车的特性和运行条件完全由数学模型表达.汽车的运动、声响和驾驶员的视觉、触觉(包括交通场境和驾驶员身体与四肢所受到的各向加速度与反作用力)都根据29个自由度汽车非线性动力学模型和驾驶员的操纵(经传感器)由高速计算机实时生成.可以预见,虚拟样机上实现汽车性能分析与评价将成为人们努力的方向.3.7系统硬件设计福特汽车公司利用虚拟原型技术,在产品开发阶段就进行装配评价,从而在设计阶段就可从整个产品的装配性角度考虑产品的可制造性,而不只从单个零件的角度进行考虑.他们将车辆的零部件在CAD系统中建模,然后将模型文件传输到虚拟环境中.系统的硬件设备采用SGI图形工作站、大屏幕显示器和数据手套、头盔等.通过头盔的定位装置跟踪用户头部运动位置,从而改变显示器中的虚拟场景,浏览货架上的零件;通过数据手套检测手的各种动作,实现对虚拟场景中零件的抓取、移动、装配等动作.从而可充分发挥人的主动性、创造性,实现产品装配的最优过程.4虚拟产品技术的应用将为制造业提供更大的创造性空间虚拟产品开发是CAID/CAD/CAE/CAM/PDM、CE、先进仿真技术、VR技术等多学科技术日益发展成熟的产