機動車仿真技術彤

1、-/、仿真簡介1.1仿真的概念仿真是以相似性原理、控制論、信息技術及相關領域的有關知識為基礎，以 計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術。計算機仿真可以用于研制產品或設計系統(tǒng)的全過程中，包括方案 論證、技術指標確定、設計分析、生產制造、試驗測試、維護訓練、故障處理等 各個階段。如訓練飛行員、宇航員仿真工作臺和仿真機艙等。1.2仿真三要素系統(tǒng)（研究的對象）、模型（系統(tǒng)的抽象）和計算機（工具與手段），聯(lián)系著他們 的三項基本活動是模型建立、仿真模型建立（又稱二次建模）和仿真試驗。二、汽車仿真力學角度分析在現(xiàn)代汽車企業(yè)的競爭中，產品的質量、成本和投放市場的周

2、期是最核心競 爭力的體現(xiàn)。汽車仿真技術在汽車開發(fā)中的作用也主要體現(xiàn)在這 3個方面。汽車仿真分析從力學角度來分主要有：整車疲勞壽命分析、整車系統(tǒng)動力學分析、整 車系統(tǒng)NVH分析、碰撞模擬和乘員保護、汽車外流場的空氣動力學分析等。2.1疲勞壽命分析結構的疲勞破壞是其主要的失效形式，因此結構的疲勞強度和疲勞壽命是其 強度和可靠性研究的主要內容之一。汽車疲勞壽命分析主要研究汽車整車及各部 件的動、靜疲勞壽命，它有以下 4種分析方法:（1）根據(jù)S-N曲線進行總壽命評價分析是最傳統(tǒng)的總壽命分析方法。這種方法對裂紋的產生和擴展不加以明確區(qū)分，能夠預測到有較大的損傷和破壞后的總 壽命。當然，這種方法也能夠對材

3、料在一系列循環(huán)載荷作用下各部位的損傷度, 剩余壽命進行評價。（2）根據(jù)E-N曲線進行萌生壽命分析是所謂的裂紋萌生分析法。它根據(jù)關鍵點的應變來預測疲勞壽命。這個方法一般用于對整個結構的安全可能造成致命危險的高應變區(qū)域。(3) 根據(jù)線彈性破壞力學進行裂紋擴展分析是一種建立在線彈性破壞力學 (LEFM)理論基礎上的預測裂紋擴展的方法，一般適用于結構的損傷容限設計。(4) 疲勞壽命靈敏度分析及優(yōu)化可對不同材料、焊接類型、載荷大小、各種 修正法、耐久性可靠度、表面加工處理、殘余應力、應力集中等設計因素進行靈 敏度分析及優(yōu)化設計。通常，一個疲勞分析可分為4個階段：材料特性、構件疲勞試驗、載荷歷史 確定和分

4、析方法，分析方法把前 3個測量階段組合起來并得出壽命預計。第 5 個階段可以對構件壽命預計與測量的疲勞壽命值進行此較。2.2系統(tǒng)動力學分析汽車系統(tǒng)動力學分析主要研究汽車的行駛性、操縱性等。通常采用多體(多剛體、多柔體)系統(tǒng)動力學分析方法。在研究過程中需要處理如下基本問題：(1) 坐標系選擇問題。相對坐標法是目前常用的方法，它的特點是每個體上固結一個局部坐標系；絕對坐標法則用統(tǒng)一的坐標系表示整個系統(tǒng)的狀態(tài)，它的 計算效率低，較少采用。(2) 柔性體離散化問題。柔性體本質上是無限自由度系統(tǒng)，為適應計算機數(shù)值計算的要求，必須對柔性體進行離散化，常用方法有：假設模態(tài)法、有限段方 法、有限元方法等。有限

5、元法與模態(tài)分析相結合是常用的方法，該方法將系統(tǒng)的 物理坐標變換為模態(tài)坐標，從而大大降低了系統(tǒng)的自由度數(shù)目。(3) 建模方法選擇問題。建模方法主要有：Newton-Euler(N/E)方程(矢量力學方程)，可對隔離體建立動力學方程；Lagrange方程(分析力學方程)，它從系 統(tǒng)的能量角度入手建立動力學方程；Kane方程，它兼有矢量力學和分析力學的 特點，各種動力學原理與方程具有等效性。通常采用有限元、假設模態(tài)、校正模態(tài)、奇異擾動等方法獲得柔性體動力學有限維逼近的坐標基，聯(lián)同關節(jié)變量作為廣義坐標，通過Lagrange方程或變分原理導出動力學方程組。(4) 動力學方程數(shù)值算法問題。多體系統(tǒng)動力學方

6、程的系數(shù)矩陣為高度非線性，其初始條件或參數(shù)的微小變化或因計算誤差的積累都有可能導致仿真結果的 較大偏差甚至發(fā)散。針對上述問題的理論研究至今進展不大。 目前人們在仿真時還都是采用傳統(tǒng)的數(shù)值積分方法，如：四階Runge-Kutta法、Gear法、Newmark 法等。2.3 NVH分析汽車NVH分析的方法主要有:(1) 多體系統(tǒng)動力學方法主要應用于底盤懸架系統(tǒng)、轉向傳動系統(tǒng)低頻范圍的建模與分析。(2) 有限元方法，一方面，適用于車身結構振動、車室內部空腔噪聲的建模分析；另一方面，與多體系統(tǒng)動力學方法結合來分析汽車底盤系統(tǒng)的動力學特性, 效率能大大提高。常見的有限元計算方法是由變分法和加權余量法發(fā)展

7、而來的里 茲法和伽遼金法、最小二乘法等。(3) 邊界元方法與有限元方法相比，能方便地處理無界區(qū)域問題，但計算速度較慢。此法在處理車室內吸聲材料建模方面具有獨特的優(yōu)點。它與有限元方法 都較適合于中、低頻范圍。 統(tǒng)計能量分析方法對于中、高頻(300Hz以上)的汽車NVH特性預測，如 果采用FEM建立模型，將大大增加工作量而且準確度并不高， 此時采用SAE方法 是比較合理的。統(tǒng)計能量分析方法可快速、準確地模擬中高頻段聲學特性。2.4碰撞模擬和乘員保護汽車碰撞安全標準中包含5個方面的內容，即：前撞、后撞、側撞、頂部壓 垮和側門強度。汽車碰撞仿真主要進行車身結構的耐撞性研究、碰撞生物力學研 究和乘員約束

8、系統(tǒng)及安全內飾件研究。車身結構的耐撞性主要研究汽車，特別是轎車車身對碰撞能量的吸收特性, 尋求改善車身結構抗撞性的方法，在保證乘員安全空間的前提下，使車身變形的碰撞能量最大，從而使傳遞給車內乘員的碰撞能量降低到最小。目前，車身結構 的耐撞性研究通常采用實車碰撞和計算機仿真相結合的方法。仿真汽車結構模型包括：完整的白車身，包括前后風窗、保險杠系統(tǒng)，包括低速吸能系統(tǒng)、門(帶玻璃)、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)和固定零部件、排放系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、輪胎模型等。碰撞生物力學主要研究人體在不同形式的碰撞中的傷害機理、人體各部位的 傷害極限、人體各部位對碰撞載荷的機械響應特性以及碰撞實驗用人體替代物。仿真模型包括各種百分

9、位的假人模型和一系列撞擊器模型，如頭部、腿部及胸部 撞擊器模型等。乘員約束系統(tǒng)及安全內飾件研究目的是盡量避免人體與內飾件發(fā) 生二次碰撞，內飾件的研究則是使人體與之發(fā)生二次碰撞時， 對人體造成的傷害 最小。乘員約束系統(tǒng)包括駕駛員座椅系統(tǒng)、假人模型、安全帶、安全氣囊等，假人 模型必須經過標定。安全帶是乘員保護系統(tǒng)中最早采用的裝備， 其設計宗旨是在 車輛發(fā)生前撞及翻滾時約束人體相對車輛的運動，對保護乘員有顯著效果。安全 氣囊是另一種常見的乘員保護設備，它與安全帶的合理匹配可對乘員進行有效保 護。安全座椅、吸能式方向盤、軟化的內飾件等對于緩沖二次碰撞以減少對人體 的沖擊具有重要作用。乘員損傷評估標準主

10、要包括：頭部和胸部的加速度，腳踏 板的前移量用來評價膝蓋的損傷。目前，碰撞仿真分析方法主要有有限元方法、 多體系統(tǒng)動力學方法和機械振 動學方法。有限元法的優(yōu)點在于能真實描述結構的變形，適用于建立汽車結構模 型以及人體局部結構的生物力學模型。顯式有限元方法為汽車碰撞仿真最常用的 有限元方法。多剛體系統(tǒng)動力學方法的突出優(yōu)點是模型簡單、 表述規(guī)范、編程方便、運算 快捷。機械振動學方法可以彌補多剛體系統(tǒng)動力學方法不能研究可變形體響應的不足。它是根據(jù)碰撞過程中汽車的實際變形情況將汽車離散為一個非線性彈簧)質量振動系統(tǒng)，通過事先測定系統(tǒng)中彈性元件的非線性抗力特性， 利用機械振動 學的方法來求解碰撞系統(tǒng)響應

11、的。 程序短小、簡明，能夠考慮變形體的彈塑性變 形特性是該方法的基本優(yōu)點，而且從理論上說，它與多剛體系統(tǒng)動力學方法的有 機結合，能夠解決汽車碰撞分析中幾乎所有的響應問題， 但由于抗力元件的非線 性特性必須預先測定，同時又要保證所測得的特性恰恰是構件在真實碰撞中的力-變形特性，這樣，在測試時，就必須精心模擬構件在碰撞中可能出現(xiàn)的各種可能的約束條件，而汽車碰撞中的有些接觸約束條件事先是無法知道的，這就大大 增加了測試的難度。近年來汽車碰撞仿真技術的發(fā)展方向是： 提高仿真運算速度，它是汽車碰撞 仿真技術發(fā)展的核心；發(fā)展新的人體模型模擬技術；尋求接觸搜尋新算法；研究 降階積分新技術。2.5汽車外流場空

12、氣動力學分析當車速小于350km/h時，流體的壓縮性可忽略，描述汽車流場的流體動力學基本方程組為三維、不可壓縮、非定常N-S方程組，可用線性或非線性方法進行 求解。有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限體積法（FVM）為求解非線性Euler和N-S方程組的3種主要數(shù)值格式。FM是一種介于FDM和 FEM之間的離散方法，兼有兩者的優(yōu)點，在汽車空氣動力學數(shù)值仿真中得到了廣泛應用。近年來汽車外流場空氣動力學分析主要發(fā)展方向是：PFV方法在該領域的應用、采用神經網絡方法或計算流體動力學（CFD）方法進行汽車高速行駛時的氣動 噪聲分析、分析汽車高速行駛時空氣流場對操縱穩(wěn)定性的影響。三、結構仿真分

13、析在汽車上的應用現(xiàn)代設計理論和方法，特別是其中的計算機輔助分析技術的運用使汽車結構 的分析水平有了質的飛躍。有限元法問世以來很快就在車輛系統(tǒng)設計領域得到了 應用，結構仿真分析已經涵蓋了從小到橡膠墊片， 大到整車的所有重要系統(tǒng)和零 部件。應用以數(shù)值分析為核心的計算方法和程序，汽車的 CAE能夠完成靜力分析、振動噪聲分析、流體動力學分析、機構動力學分析和虛擬樣機、可靠性分析、 安全性分析、結構優(yōu)化設計等產品設計的重要工作環(huán)節(jié)。對于較為傳統(tǒng)的有限 元分析內容，即結構靜力強度分析、溫度場分析、較為簡單的流場分析、振動 分析，發(fā)達國家的應用技術已經十分成熟。除有限元以外，其它數(shù)值分析方法 也得到了不同程

14、度的應用，相對來講沒有達到有限元法理論、方法和應用工具 的成熟程度。80年代后，國外普遍用有限元法進行復雜工程問題的分析，尤其 是零部件靜力結構分析已經十分普及。有代表性的國外著名研究機構和公司如 奧地利 AVL 英國 Ricardo，美國的 SWRJ U.S.ATAC GM Ford，Cummins 日 本的 Nissan，Toyota， Honda,德國的 Benz, Deutz，Volkswagen。3.1靜力剛強度仿真分析結構強度分析是汽車結構功能及可靠性設計中所關心的最基本問題，因此, 結構靜力計算機數(shù)值分析是最早開始進人工程應用的內容，也是目前最為成熟 的仿真應用領域之一。國外用有

15、限元法對汽車中復雜結構件進行強度分析始于70年代，初期只是針對結構及力學模型較為簡單的零件進行分析，分析規(guī)模較小。早期的汽車零 部件結構分析受計算工具的限制，一般分析對象結構簡單，采用簡化的模型, 一般用來計算平面應力和軸對稱等二維模型問題，像連桿、活塞等。有限元模 型采用“試驗一計算”結果對比的模式進行多次試算，分析計算結果可信度低, 這些早期的工作為基于數(shù)值仿真的結構分析的進一步發(fā)展進行了有益的探索。由于有限元法中的一般均勻材料實體單元應用于靜力分析的理論和程序已 經相當成熟，因此工程應用中有限元分析主要關心的問題是模型建立的合理性 與易用性。其中，復雜結構的有限元網格生成方法、網格質量檢

16、查方法和準則、 自適應網格修正是分析幾何模型的核心問題，邊界描述的可表達性、邊界條件 施加的精確性是模型力學條件的核心問題。隨著商品化軟件的發(fā)展和汽車結構分析經驗的不斷積累，對零部件的靜力 分析已經成為十分成熟的手段，在應用方法上值得研究的主要是復雜非線性、復雜組合結構、多物理場耦合效應等靜力分析。國內應用有限元法進行動力裝置結構靜力分析始于80年代，對于典型復雜零件如柴油機缸蓋、柴油機機體等進行了結構分析。從80年代后期開始，對零90年代中期成為產品件的有限元靜力分析成為高校和研究所重視的普及技術, 設計中的普遍米用的手段。國內外對軍用車輛動力、傳動系主要零部件的結構強度分析進行了大量的 研

17、究，國內有北京理工大學、吉林工業(yè)大學、北方車輛研究所等單位較早地開 展了車輛零部件結構靜力剛強度的研究工作，涉及到幾乎所有的主要零部件。3.2結構動態(tài)特性仿真分析車輛動力傳動系統(tǒng)是一個典型的復雜動態(tài)機械系統(tǒng)，其振動形態(tài)復雜，振 源多種多樣，需要研究的領域廣。從70年代后期開始，國外將基于有限元分析的計算機動力學仿真應用于該 領域，其中動響應分析是研究的熱點之一?；趧恿W性能預測是進行結構動態(tài)設計的基本條件，對于汽車總體方案或零部件設計中提高整體性能起到十分重要的作用。這些研究包括軸系振動特性研究、箱體類模態(tài)及動力響應、葉片 類動響應性質、復雜總體結構動力學特性等。零部件的動態(tài)特性研究在計算方

18、法、計算精度圖3戴姆勒-克萊斯勒公司用1)于振動分析的動力總成模型等方面的研究上取得了很大進步，主要表現(xiàn)在: 多學科、多種數(shù)值求解方法的綜合應用。如振動與噪聲分析、基于動響應的疲 勞可靠性分析、以及軸承潤滑分析等等。其領域涉及位移應力場、聲場、流場 等的耦合作用，采用的數(shù)值分析方法包括有限元法、有限差分法、邊界元法、 多體系統(tǒng)仿真等。2）注重新方法和規(guī)范分析流程并不斷完善。國內從80年代中期開始進行汽車主要零部件的結構動力學特性研究，早期典型研究是吉林工業(yè)大學1985年用有限元法對發(fā)動機機體進行自由模態(tài)分析并 由計算的振型進行結構設計修改。90年代以來國內在汽車結構的特性研究中的 研究文獻較多

19、，如有基于零部件結構的模態(tài)分析和瞬態(tài)響應分析，基于總體的 動態(tài)特性分析。90年代后期以來，在汽車結構模態(tài)和動力響應分析方面取得很 大發(fā)展，如北京理工大學在基于總體結構的振動與噪聲分析方面進行了一系列 研究，圖4為對某型號的動力傳動組合結構進行的模態(tài)分析。3.3仿真工具軟件目前，能夠支持車輛系統(tǒng)結構仿真的商業(yè)化軟件多種多樣，許多軟件已經 達到很完善的程度。結構強度分析類軟件主要有 NASTRANANSYSABAQUMARCPATRAN DYNA3等;機械系統(tǒng)多體動力學仿真類軟件主要有 ADAMS SI MP ACKDAD箋；通用機械 CAD/CA軟件主要有 I-DEAS、UG PRO/ENGINEERCATIA等。另外，世界上各大汽車公司也都紛紛開發(fā)出了自己的車輛系統(tǒng)仿真工具， 如 Ford 公司的 DYN-MQ