《汽车检测与试验技术教材》课件第10章 汽车虚拟试验技术

10.1概述10.2虚拟试验在汽车工程领域的应用10.1概述10.1.1虚拟试验的定义从广义上讲,虚拟试验是指任何不使用或部分使用实际硬件来构成试验环境,完成实际物理试验的方法和技术。虚拟试验是在计算机上采用软件代替部分或全部硬件实现各种虚拟试验环境,使试验者如同在真实的环境中一样完成各种预订试验项目,取得接近或等价于真实试验的数据结果。虚拟试验系统包括软件型系统和硬件在环型系统两种。10.1.2虚拟试验的特点虚拟试验的特点如下:(1)试验成本低。虚拟试验可以大幅度减少样机制造试验次数,缩短新产品试验周期,同时降低实际试验的费用。(2)试验可重复。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,可对试验过程进行回放、再现和重复。(3)虚拟试验技术应用于复杂产品的开发中,可以实现设计者、产品和用户在设计阶段信息的相互反馈,使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。(4)虚拟试验技术代替实际试验,实现了试验安全可靠、试验可控性好以及信息量大而丰富。10.1.3虚拟试验常用软件1.Adams软件Adams(机械系统动力学自动分析)软件除用于机械系统静力学、运动学和动力学分析外,还可作为虚拟样机分析的二次开发平台,供用户进行特殊功能样机的开发。2.Matlab软件Matlab软件用于数值分析、矩阵计算、算法开发、数据分析、非线性动态系统的建模与仿真等,主要包括Matlab模块和Simulink模块两大部分。3.Advisor软件Advisor(AdvancedVehicleSimulator)即高级车辆仿真器,是基于Matlab/Simulink环境的仿真软件,由美国能源部(DOE)开发。Advisor软件可用于分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的动力性、燃料经济性以及排放性等性能。4.Cruise软件Cruise软件采用模块化的建模方法,可以搭建和仿真任何一种配置的汽车系统。Cruise软件可用于汽车开发过程中的动力系统、控制系统、传动系统、排放系统开发,汽车性能预测、整车仿真计算以及控制参数和驾驶性能的优化;可实现发动机、轮胎、电动机、变速箱等部件的选型及其与车辆的匹配优化;与Matlab/Simulink模块有接口,可以实现联合仿真。5.MSC.Fatigue软件MSC.Fatigue软件是由nCode和MSC公司合作开发的疲劳寿命有限元分析软件,在产品生产制造之前进行疲劳寿命分析,可极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额费用。6.nSoft软件nSof软件是由nCode公司开发的一套专门解决工程系统疲劳问题的软件,主要由数据分析、数据显示、疲劳分析等模块组成,主要应用于汽车、铁路、能源、国防等工业领域。10.1.4汽车虚拟试验场技术VPG(VirtualProvingGround,汽车虚拟试验场)是专门针对整车分析而开发的仿真工具,可以进行整车的防撞性、安全性、NVH和耐久性等分析。VPG提供的模型库、工具库及固化专家经验的自动化技术可将整车仿真过程中的人员数量及其工作量降到最低。VPG具有强大的建模能力,为用户提供了多个标准模型数据库。用户只需要调用VPG中的标准模型,并在必要时修改或者调整所需的参数就可快速方便地得到所需模型并进行相应的分析。VPG模型如图101和102所示。10.2虚拟试验在汽车工程领域的应用10.2.1汽车主要使用性能虚拟试验1.动力性与经济性虚拟试验汽车的动力性和燃料经济性对汽车的运输效率和运输成本有直接的影响。传统试验方法受外界因素影响较大。采用虚拟试验技术,具有使用方便、快捷、重复性强等优点,能消除实车试验中驾驶员、气候条件和道路环境等外界因素对试验的影响。2.制动性能虚拟试验目前,汽车制动性能虚拟试验主要由Adams软件和Matlab软件联合仿真来实现。通常在Adams/View模块或在Adams/Car模块中建立多自由度的整车仿真模型,在Matlab/Simulink模块中建立防抱死制动系统(ABS)控制模型,然后将ABS控制模型的仿真数据文件导入到Adams软件中进行整车多体动力学仿真。基于Cruise软件的制动性能虚拟试验步骤如下:(1)建立整车仿真模型。(2)实现制动性能虚拟试验,包括直线制动和转弯制动虚拟试验、防抱死制动系统(ABS)虚拟试验。(3)验证试验。3.操纵稳定性虚拟试验汽车操纵稳定性虚拟试验是用汽车动力学分析数据驱动虚拟环境中的汽车模型,将其在试验过程中的各种状态变化映射到计算机屏幕上,借助于虚拟现实技术的交互手段,使研究人员产生“身临其境”的感觉,体验车辆在各种工况下的性能,并对其进行评价。1)汽车操纵稳定性虚拟试验系统流程汽车操纵稳定性虚拟试验系统流程如图103所示。2)汽车动力学模型可利用多体动力学软件Adams/Car,采用参数化建模方法建立汽车操纵稳定性的动力学模型。将整车分为多个子模块分别建立虚拟样机模型,再将其装配成整车模型,建立整车动力学分析模型。3)汽车实体模型实体结构建模就是赋予汽车模型三维实体结构、材质、颜色等外观特征。4)虚拟试验场模型虚拟试验场是与用户最直接的接触部分。虚拟场景主要包括两部分:一是虚拟汽车模型;二是路面模型。5)汽车操纵稳定性虚拟试验汽车操纵稳定性虚拟试验的基本原理及数据映射流程如图104所示。4.平顺性虚拟试验平顺性虚拟试验包括:建立包括乘员在内的试验汽车的三维实体模型;建立虚拟试验场的场景模型,场景模型的范围大小要满足试验车辆行驶距离的要求;获取平顺性的动力学数据;在虚拟试验开发平台上对虚拟试验的各种资源进行编程调用,实现车辆平顺性的虚拟再现;显示汽车平顺性试验数据,考察指标,评价性能。10.2.2碰撞安全性虚拟试验汽车碰撞安全性虚拟试验就是检验汽车在上述各种碰撞条件下整车及主要零部件的耐撞性以及汽车碰撞乘员保护系统的性能状况。1.碰撞安全性虚拟试验研究内容碰撞安全性虚拟试验研究内容包括汽车零部件碰撞模拟、汽车结构耐撞性模拟、整车碰撞安全性模拟和行人保护。2.碰撞安全性虚拟试验的实施(1)开发虚拟原型。(2)建立汽车碰撞虚拟试验场。(3)在虚拟试验场中调用各种虚拟原型。10.2.3汽车零部件疲劳寿命虚拟试验目前,用于评价汽车零部件疲劳寿命的方法主要是台架试验和道路耐久性试验,试验周期长、耗费大、安全性低且易受试验方案影响。汽车零部件的结构疲劳破坏是其主要失效形式,结构的疲劳寿命和疲劳强度是实现结构强度校核和抗疲劳设计的重要内容。疲劳寿命分析模由材料疲劳行为的描述、循环载荷下的结构响应和疲劳累计损伤法则组成。(1)采用有限元模态分析可以得到材料疲劳行为的描述。(2)应用动力学分析可以得到循环载荷下的结构响应。(3)要进行疲劳损伤方面的分析就要用到疲劳分析软件。汽车零部件疲劳寿命虚拟试验流程:首先根据设计图建立零部件的三维实体模型,将其导入到有限元前处理软件中进行有限元网格划分,生成模态分析软件所识别的数据文件;然后采用模态分析软件计算得到模态模型;接着在多体动力学软件中对模型进行动力学仿真;最后在疲劳分析软件中读取多体动力学软件导出的文件,对零部件进行疲劳寿命分析。10.2.4整车系统NVH分析NVH是噪声(Noise)、振动(Vibration)和声振粗糙度(Harshness)的英文缩写。声振粗糙度是指噪声和振动的品质,是描述人体对振动和噪声的主观感觉,不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉,因此又称之为不平顺性。1.汽车NVH特性研究的建模和评价方法研究汽车的NVH特性首先必须利用CAE技术建立汽车动力学模型,目前有多体动力学方法、有限元方法和边界元方法等几种比较成熟的理论和方法。2.NVH分析应用VPG技术,可在时域分析的基础上进行汽车的振动、噪声和舒适性分析评价,获得模态/频率、噪声和声学响应分析的解决方案。用VPG进行NVH分析的特点和优势如下:(1)时域内获得的数据是试验场测量的真实数据,各种试验工况可由路面数据库模拟实现,还可组合复杂真实的载荷条件。(2)从时域到频域的过程与试验场测量程序完全一致,即从时域到频域应用FFT变换。(3)考虑了阻尼特征,包括结构非线性(结构阻尼)、内摩擦(材料阻尼)、黏性影响(轴衬、冲击、轮胎)、外摩擦(部件间接触)。(4)复杂实用的轮胎模型。轮胎是传递道路载荷的关键部件,它的响应特征会直接影响分析求解的正确性和精度。VPG有多种真实轮胎模型,包括复合材料轮胎模型,所以能建立真实的轮胎模型,为NVH分析提供了强大的技术保证。10.2.5汽车运动学及动力学仿真试验Adams软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系