汽車數(shù)字化仿真技術(shù)-

汽車數(shù)字化仿真技術(shù)4.1數(shù)字化仿真技術(shù)概述4.2有限元分析技術(shù)4.3汽車產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)4.4汽車虛擬樣機(jī)技術(shù)4.5汽車虛擬試驗(yàn)4.6汽車虛擬試驗(yàn)場技術(shù)汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

第1

頁4.1數(shù)字化仿真技術(shù)仿真技術(shù)及其分類物理仿真與數(shù)學(xué)仿真仿真的基本要素?cái)?shù)字化仿真程序仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.仿真技術(shù)及其分類仿真就是采用模擬真實(shí)系統(tǒng)的模型，通過對模型的分析和試驗(yàn)去研究真實(shí)系統(tǒng)的工作行為。其實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全生命周期內(nèi)(包括設(shè)計(jì)、測試、制造、應(yīng)用和維護(hù)的全過程)實(shí)施仿真、分析與評估,其目的在于盡可能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,預(yù)測產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用等階段可能出現(xiàn)的問題,進(jìn)行全局優(yōu)化。系統(tǒng)仿真是研究系統(tǒng)、解決問題的方法和手段。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

第3

頁1.仿真技術(shù)及其分類仿真(Simulation)是通過對系統(tǒng)模型的試驗(yàn)，研究已存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)性能的方法及其技術(shù)。仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)行為及性能特征，用于分析系統(tǒng)配置是否合理、性能是否滿足要求，預(yù)測系統(tǒng)可能存在的缺陷，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。例如：研制新型飛機(jī)時(shí)，一般先要對按比例縮小的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能；開發(fā)新型輪船時(shí)，一般先要在水池中對縮小的輪船模型進(jìn)行試驗(yàn)，以了解輪船的各種性能；設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)線時(shí)，要先對生產(chǎn)線的性能作出評估等。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.仿真技術(shù)及其分類

計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了：

模擬計(jì)算機(jī)(AnalogComputer)

混合計(jì)算機(jī)(HybridComputer)

數(shù)字計(jì)算機(jī)(DigitalComputer)相應(yīng)的仿真的發(fā)展也經(jīng)歷了模擬仿真混合仿真數(shù)字仿真2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.仿真技術(shù)及其分類

仿真的一般過程：（1）建立數(shù)學(xué)模型；（2）模型變換；（3）編制仿真程序；（4）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；（5）仿真結(jié)果整理分析。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,利用仿真技術(shù)和數(shù)字化模型——虛擬產(chǎn)品來代替實(shí)物模型,即可對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行一定程度的考察和評估,以替代費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢的實(shí)驗(yàn)。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.仿真技術(shù)及其分類系統(tǒng)仿真可以有多種分類方法：①按所用模型的類型(物理模型、數(shù)學(xué)模型、物理－數(shù)學(xué)模型)分為物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真(數(shù)學(xué)仿真)、半實(shí)物仿真；②按所用計(jì)算機(jī)的類型(模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合計(jì)算機(jī))分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真；③按仿真對象中的信號流(連續(xù)的、離散的)分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真。④按仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的比例關(guān)系分為實(shí)時(shí)仿真(仿真時(shí)間標(biāo)尺等于自然時(shí)間標(biāo)尺)、超實(shí)時(shí)仿真(仿真時(shí)間標(biāo)尺小于自然時(shí)間標(biāo)尺)和亞實(shí)時(shí)仿真(仿真時(shí)間標(biāo)尺大于自然時(shí)間標(biāo)尺)；⑤按虛實(shí)結(jié)合的程度分為結(jié)構(gòu)仿真、虛擬仿真和實(shí)況仿真；⑥按功能用途可分為工程仿真和訓(xùn)練仿真。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.物理仿真與數(shù)學(xué)仿真物理仿真是通過對實(shí)際存在的模型進(jìn)行試驗(yàn)，以研究系統(tǒng)的性能，如飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)、建筑及城市規(guī)劃模型等。數(shù)學(xué)仿真是利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲得現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征和規(guī)律。無需昂貴的實(shí)物系統(tǒng)，也無需模擬生成客觀真實(shí)環(huán)境的各種物理效應(yīng)設(shè)備，而是建立數(shù)學(xué)模型，按數(shù)學(xué)模型選好合適的算法，編好程序，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，再現(xiàn)和評價(jià)客觀世界的客觀事物特性。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.物理仿真與數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真試驗(yàn)時(shí)，通過鍵盤等輸入設(shè)備改變系統(tǒng)參數(shù)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過CRT、打印機(jī)、繪圖儀等輸出設(shè)備顯示仿真結(jié)果，或者將仿真結(jié)果存儲(chǔ)在磁盤上。2023/12/12鍵盤磁盤繪圖儀CRT結(jié)果輸出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)讀入磁盤打印機(jī)汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.仿真建模的基本要求仿真的三個(gè)基本要素是系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)聯(lián)系著它們的三項(xiàng)基本活動(dòng)是模型建立、仿真模型建立(又稱二次建模)、仿真試驗(yàn)2023/12/12物理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.仿真建模的基本要求清晰性。一個(gè)大的系統(tǒng)往往由許多子系統(tǒng)組成，因此對應(yīng)的系統(tǒng)模型也由許多子模型組成。在子模型與子模型之間，相互耦合要盡可能少，結(jié)構(gòu)盡可能清晰。

切題性。系統(tǒng)模型只應(yīng)該包括與研究目的有關(guān)的方面，也就是與研究目的有關(guān)的系統(tǒng)行為子集的特性的描述。對于同一個(gè)系統(tǒng)，模型不是唯一的，研究目的不同，模型也不同。

精確性。同一個(gè)系統(tǒng)的模型按其精確程度要求可分為許多級。對不同的工程，精確度要求不一樣。例如用于飛行器系統(tǒng)研制全過程的工程仿真器要求模型精度高，甚至要考慮到一些小參數(shù)對系統(tǒng)的影響，這樣的系統(tǒng)模型復(fù)雜，對仿真計(jì)算機(jī)的性能要求也高；但用于訓(xùn)練飛行員的飛行仿真器，則要求模型的精度相對低一些，只要被培訓(xùn)人員感到“真”即可。(4)集合性。把一些個(gè)別的實(shí)體能組成更大實(shí)體的程度，有時(shí)要盡量從能合并成一個(gè)大的實(shí)體的角度考慮。如對武器射擊精度鑒定，并不十分關(guān)心每發(fā)子彈的射擊偏差，而著重討論多發(fā)子彈射擊的統(tǒng)計(jì)特性。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.仿真工具（硬件和軟件）仿真系統(tǒng)硬件：2023/12/12系統(tǒng)測試設(shè)備能源動(dòng)力系統(tǒng)通信指揮監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集記錄顯示設(shè)備信號產(chǎn)生與激勵(lì)設(shè)備非標(biāo)設(shè)備連接電纜接口仿真計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)硬件汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.仿真工具（硬件和軟件）仿真系統(tǒng)軟件：包括為系統(tǒng)模型軟件、通用軟件、應(yīng)用軟件、系統(tǒng)模型軟件、對象數(shù)學(xué)模型、仿真算法、系統(tǒng)運(yùn)行流程、仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。通用軟件含有計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、編程語言、調(diào)試運(yùn)行環(huán)境、圖形界面開發(fā)程序、通用接口通信程序等。

專用軟件包含專用算法、專用接口通信程序。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁5.數(shù)字化仿真程序數(shù)字仿真程序是一種適用于一類仿真問題的通用程序。一般采用通用語言編寫。根據(jù)仿真過程的要求，一個(gè)完整的仿真程序應(yīng)具有以下三個(gè)基本階段。(1)始化階段

這是仿真的準(zhǔn)備階段，主要完成下列工作：

①數(shù)組定維、各狀態(tài)變量置初值；

②可調(diào)參數(shù)、決策變量以及控制策略等的建立；

③仿真總時(shí)間、計(jì)算步距、打印間隔、輸出方式等的建立。(2)模型運(yùn)行階段

這是仿真的主要階段

規(guī)定調(diào)用某種算法，計(jì)算各狀態(tài)變量和系統(tǒng)輸出變量。當(dāng)?shù)竭_(dá)打印間隔時(shí)輸出一次計(jì)算結(jié)果，并以數(shù)字或圖形的方式表示出來。(3)仿真結(jié)果處理和輸出階段

當(dāng)仿真達(dá)到規(guī)定的總仿真時(shí)間時(shí)，對動(dòng)力學(xué)來說，常常希望把整個(gè)仿真結(jié)果以曲線形式再顯示或打印出來，或?qū)⒄麄€(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)存起來。針對不同的計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)外設(shè)的配置，該段的差別也較大。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁5.數(shù)字化仿真程序

數(shù)字仿真的工作流程2023/12/12建立數(shù)學(xué)模型建立仿真模型編寫仿真程序仿真運(yùn)行修改仿真模型修改程序仿真程序（多次運(yùn)行優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)）合理？修改系統(tǒng)模型處理結(jié)果分析結(jié)果汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁6.仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展仿真技術(shù)在系統(tǒng)研制中的應(yīng)用2023/12/12階段應(yīng)用內(nèi)容概念化設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析及可行性研究，選擇合理的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)建模建立系統(tǒng)及零部件模型，判斷產(chǎn)品外形、質(zhì)地及物理特性是否滿意設(shè)計(jì)分析分析產(chǎn)品及系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、噪聲、可靠性等性能指標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定性能或綜合性能的優(yōu)化制造刀具加工軌跡、可裝配性仿真，及早發(fā)現(xiàn)加工、裝配中可能存在的問題樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)行性能仿真，虛擬樣機(jī)試驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)性能的持續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁6.仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展仿真器的現(xiàn)狀與開發(fā)系統(tǒng)仿真器(SystemSimulator)是模仿真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究裝置，它包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及模仿對象的某些類似實(shí)物所組成的一個(gè)仿真系統(tǒng)。仿真器分為培訓(xùn)仿真器和設(shè)計(jì)仿真器。培訓(xùn)仿真器一般由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、儀表、操作系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)硬件、軟件組成類似實(shí)物的模擬裝置。例如，培訓(xùn)飛機(jī)駕駛員航線起落飛行仿真器就包括：座艙與其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及指揮臺(tái)等，此外還有電源、液壓源，以保證實(shí)驗(yàn)條件。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁6.仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展設(shè)計(jì)仿真器，一般包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件和由研究系統(tǒng)的應(yīng)用軟件以及大量設(shè)計(jì)公式和參數(shù)等所構(gòu)成的設(shè)計(jì)程序包。例如，軋鋼機(jī)多級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從方案選擇到參數(shù)規(guī)定，甚至繪圖等工作都可以在設(shè)計(jì)仿真器上由計(jì)算機(jī)完成，提高效率。仿真器的開發(fā)利用是系統(tǒng)仿真技術(shù)的直接應(yīng)用結(jié)果，例如：從國外引進(jìn)的波音707，三叉戟飛機(jī)培訓(xùn)仿真器；中國自行研制的航線起落飛行仿真器；CCF-2S船舶操縱培訓(xùn)仿真器等；在設(shè)計(jì)仿真器方面控制多變量反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序包類的設(shè)計(jì)仿真器。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁6.仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

目前汽車工程中應(yīng)用較多的計(jì)算機(jī)仿真分析方法,包括：數(shù)值模擬方法、MATLAB/Simulink仿真方法、硬件在環(huán)(Hardware-In-the-Loop,HIL)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualReality,VR)、高層體系結(jié)構(gòu)(HighLevelArchitecture,HLA)技術(shù)。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.2有限元分析技術(shù)有限元法概述有限元的基本原理及求解步驟有限元分析軟件2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.有限元法概述有限元法(FiniteElementMethod,FEM)是一種基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值仿真技術(shù)。有限元法的基本思想是：

將形狀復(fù)雜的連續(xù)體離散化為有限個(gè)單元組成的效組合體，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接；根據(jù)精度要求，用有限個(gè)參數(shù)描述單元的力學(xué)或其他特性，連續(xù)體的特性就是全部單元體特性的疊加；根據(jù)單元之間的協(xié)調(diào)條件，可以建立方程組，聯(lián)立求解就可以得到所求的參數(shù)特征于單元數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)數(shù)目也是有限的，因而稱為有限元法。有限元法具很大的靈活性，通過改變單元數(shù)目可以改變解的精確度，從而得到與真實(shí)情況當(dāng)接近的解。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.有限元法概述按照基本未知量和分析方法的不同，有限元法可分為兩種基本方法：位移法和力法。①位移法是以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)，進(jìn)行單元的力學(xué)特征分析，在節(jié)點(diǎn)處建立單元的平衡方程，即單元?jiǎng)偠确匠蹋蓡卧獎(jiǎng)偠确匠探M成整體剛度方程，求解節(jié)點(diǎn)位移，再由節(jié)點(diǎn)位移求解應(yīng)力；②力法是以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量，在節(jié)點(diǎn)上建立位移連續(xù)方程，在解出節(jié)點(diǎn)力后，再計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移和應(yīng)力，一般地，位移法比較簡單，而用力法求解的應(yīng)力精度高于位移法。因此，用有限元法分析結(jié)構(gòu)時(shí)，多采用位移法。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.有限元法概述當(dāng)前用有限元法解決的問題主要有：①桿、梁、板、殼、二維和三維固體、管道和彈簧等各種單元組合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力分析；②包括頻率、振型、各種動(dòng)力響應(yīng)和撞擊在內(nèi)的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析；③大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析；④整機(jī)(如水壓機(jī)、汽車、飛機(jī)、船舶、發(fā)電機(jī)等)的靜力分析；⑤復(fù)合材料零部件的強(qiáng)度分析；⑥工程構(gòu)件及其零件的彈塑性應(yīng)力分析；⑦金屬、橡膠等材料的大應(yīng)變分析；2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.有限元法概述⑧梁、板、殼結(jié)構(gòu)的幾何非線性分析；⑨工程構(gòu)件和零部件的熱彈性、蠕變、粘彈性和粘塑性分析；⑩工程構(gòu)件和零件的線性和非線性屈曲分析。?各種邊界條件下的線性和非線性穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析；?零部件之間的接觸應(yīng)力分析；?二維和三維問題的線性和非線性電磁場分析；?二維和三維液壓流場分析。?氣動(dòng)力學(xué)分析；?工程機(jī)械軸承潤滑、油膜計(jì)算；?隨機(jī)激勵(lì)下(承受風(fēng)、海浪、地震載荷)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與強(qiáng)度分析；?金屬?zèng)_壓加工成型數(shù)值模擬。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.有限元的基本原理及求解步驟1.結(jié)構(gòu)離散結(jié)構(gòu)離散就是將求解區(qū)域分割成具有某種幾何形狀的單元，也稱為劃分網(wǎng)格。平面問題的有限元分析中，常用的單元形式有三節(jié)點(diǎn)三角形單元、四節(jié)點(diǎn)矩形單元、四節(jié)點(diǎn)四邊形單元、六節(jié)點(diǎn)三角形單元以及八節(jié)點(diǎn)曲邊四邊形單元等。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.有限元的基本原理及求解步驟在劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，要注意：①任一單元的節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)而不能是相鄰三角形單元的內(nèi)點(diǎn)，即網(wǎng)格劃分后應(yīng)沒有孤立的點(diǎn)、孤立的邊；②單元的各邊長相差不宜太大，以免計(jì)算中出現(xiàn)較大誤差。在三節(jié)點(diǎn)三角形單元中，也將三角形的最長邊與垂直于最長邊的三角形的高度之比稱為長細(xì)比；③網(wǎng)格劃分應(yīng)考慮分析對象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。例如：對于對稱性結(jié)構(gòu)，可以取其中的一部分進(jìn)行分析；對于可能存在應(yīng)力急劇變化的區(qū)域，網(wǎng)格可以劃分得密集一些，或先按較粗網(wǎng)格統(tǒng)一劃分，再對局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高解算精度等；④單元編號一般按右手規(guī)則進(jìn)行，并盡量遵循單元的節(jié)點(diǎn)編號最大、差值最小的原則，以減少剛度矩陣的規(guī)模，減少計(jì)算機(jī)內(nèi)存的占用。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.有限元的基本原理及求解步驟2.單元分析單元分析的主要內(nèi)容有：由節(jié)點(diǎn)位移求內(nèi)部任一點(diǎn)的位移，由節(jié)點(diǎn)位移求單元應(yīng)變、應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)力。單元分析的步驟可用框圖表示。2023/12/12節(jié)點(diǎn)位移單元內(nèi)部各點(diǎn)位移單元應(yīng)變單元應(yīng)力節(jié)點(diǎn)力汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.3汽車產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)1、優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可分解為三要素：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件①設(shè)計(jì)變量應(yīng)該選擇那些與目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)密切相關(guān)的、能夠表達(dá)設(shè)計(jì)對象特征的獨(dú)立參數(shù)和尺寸。同時(shí)，還要兼顧求解的精度和復(fù)雜性方面的要求。②在最優(yōu)設(shè)計(jì)中，可將所追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)(最優(yōu)指標(biāo))用設(shè)計(jì)變量的的數(shù)形式表達(dá)出來，這一過程稱為建立目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)又稱為評價(jià)函數(shù)。③對任何設(shè)計(jì)都有若干不同的要求和限制，將這些要求和限制表示成設(shè)計(jì)變量的函數(shù)并寫成一系列不等式和等式表達(dá)式，就構(gòu)成了設(shè)計(jì)的約束條件，簡稱約束。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.優(yōu)化設(shè)計(jì)概述一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一次：執(zhí)行目標(biāo)函數(shù)，滿足所有設(shè)計(jì)約束，并且使用最少量的材料（或成本或其他某種判據(jù)的過程）。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.優(yōu)化設(shè)計(jì)概述進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程：從創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)化模型和建立一個(gè)分析文件開始。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.優(yōu)化設(shè)計(jì)概述2、優(yōu)化問題的分類

優(yōu)化問題也稱為規(guī)劃問題。根據(jù)數(shù)學(xué)形式的不同，可以將優(yōu)化問題劃分為以下幾類:(1)線性規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)和約束方程均為設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)。線性規(guī)劃多用于生產(chǎn)組織和管理方面的優(yōu)化求解。(2)非線性規(guī)劃

若目標(biāo)函數(shù)和約束方程中，至少有一個(gè)與設(shè)計(jì)變量存在非線性的關(guān)系時(shí)，即為非線性規(guī)劃問題。在非線性規(guī)劃中，若目標(biāo)函數(shù)為設(shè)計(jì)變量

的二次函數(shù)，而約束條件與設(shè)計(jì)變量呈線性函數(shù)的關(guān)系時(shí)，稱為二次規(guī)劃。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為廣義多項(xiàng)式時(shí)，稱之為幾何規(guī)劃。此外，若設(shè)計(jì)變量的取值部分或全部為離散值或整型量時(shí)，稱為整數(shù)規(guī)劃；若為隨機(jī)值時(shí)，稱為隨機(jī)規(guī)劃。(3)動(dòng)態(tài)規(guī)劃這類規(guī)劃的設(shè)計(jì)變量是成序列、多階段的決策過程。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化分三個(gè)層次:尺寸優(yōu)化形狀優(yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化

分別對應(yīng)產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、基本設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)階段。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)2023/12/12a．尺寸優(yōu)化b.形狀優(yōu)化c.拓?fù)鋬?yōu)化汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)①尺寸優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類型、拓?fù)?、形狀的基礎(chǔ)上，對構(gòu)件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，其設(shè)計(jì)變量可能是桿的橫截面積、慣性矩、板的厚度等；②形狀優(yōu)化是在給定結(jié)構(gòu)的類型、拓?fù)涞幕A(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)的邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化，屬于可動(dòng)邊界問題，對于連續(xù)體結(jié)構(gòu)通常是用一組參數(shù)可變的幾何曲線（如直線、圓弧、樣條等）描述結(jié)構(gòu)的邊界，調(diào)整了這些參數(shù)就改變了邊界的形狀，對于桁架結(jié)構(gòu)則往往以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量；③拓?fù)鋬?yōu)化主要是在規(guī)定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，在給定的外荷載和邊界條件下，改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湟詽M足有關(guān)平衡、應(yīng)力、位移等約束的前題下，使結(jié)構(gòu)的某種性態(tài)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)解決連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的新方法：

變厚度法均勻法

變密度法2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)1.變厚度法變厚度法是較早采用的拓?fù)鋬?yōu)化方法，屬于幾何（尺寸）描述方式，其基本思想是以基結(jié)構(gòu)中單元厚度為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，以結(jié)果中的厚度分布確定最優(yōu)拓?fù)洌浅叽鐑?yōu)化方法的直接推廣。這種方法將薄板或薄殼可能占據(jù)的整個(gè)區(qū)域劃分成有限個(gè)單元，假定所有單元的厚度是均勻的，把這一模型作為初始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。這樣優(yōu)化求得的最優(yōu)設(shè)計(jì)將是一個(gè)帶孔洞的、厚度均勻的（某一值h）薄板或薄殼，這就意味著每個(gè)單元的厚度只能取h或者0這兩個(gè)離散值。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)2.均勻化方法其基本思想是在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)的形式和尺寸參數(shù)，決定了宏觀材料在此點(diǎn)處的彈性和密度，優(yōu)化過程中以微結(jié)構(gòu)的單細(xì)胞尺寸為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，以單細(xì)胞尺寸的消長實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的增刪，并且產(chǎn)生由中間單細(xì)胞構(gòu)成的復(fù)合材料，以拓展設(shè)計(jì)空間，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型與尺寸優(yōu)化模型的統(tǒng)一和連續(xù)化。微結(jié)構(gòu)的單胞2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)3.變密度法基本思想是引入一種假想的密度可變材料，將連續(xù)結(jié)構(gòu)體離散為有限元模型后，與結(jié)構(gòu)中的每個(gè)有限單元內(nèi)的密度指定相同，以每個(gè)單元的密度為設(shè)計(jì)變量，結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題就變成了材料的最優(yōu)分布問題。

如設(shè)計(jì)區(qū)域中某點(diǎn)密度值為0則認(rèn)為此點(diǎn)無材料；否則認(rèn)為此點(diǎn)有材料，同時(shí)通過人為假定的材料宏觀彈性常數(shù)與其密度之間的某種非線性關(guān)系對0-1之間的密度值進(jìn)行懲罰，以使優(yōu)化結(jié)果盡可能具有非0即1的密度分布。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁幾種優(yōu)化算法的比較變厚度法是幾種方法中提出最早的一種，這種方法的數(shù)學(xué)模型簡單，概念清晰，求解方便，是尺寸優(yōu)化方法的直接推廣，但優(yōu)化對象受到限制，只能應(yīng)用于二維膜結(jié)構(gòu)，不能推廣到三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。均勻化方法是假設(shè)一種微結(jié)構(gòu)單一胞，在這一微結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立材料密度與材料特性之間的關(guān)系，這種方法對拓?fù)鋬?yōu)化方法的應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用，但是由這種方法產(chǎn)生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的某些區(qū)域的密度值介于0～1之間，現(xiàn)代技術(shù)無法加工生產(chǎn)含有這樣區(qū)域的結(jié)構(gòu)，只能看作是一種拓?fù)淠：慕Y(jié)構(gòu)，需要從中抽象出明確的可加工結(jié)構(gòu)，因此這種方法也存在著其局限性。變密度法是人為的建立一種材料密度與材料特性之間的關(guān)系，拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算以后得到單元的密度絕大部分呈0或1分布在初始給定的區(qū)域上。雖然也需要對結(jié)果進(jìn)行抽象才能得到可加工結(jié)構(gòu)，但由于密度絕大部分呈0或1分布在初始給定的區(qū)域上，因此較均勻化方法由其明顯的優(yōu)點(diǎn)。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.4汽車虛擬樣機(jī)技術(shù)物理原型和虛擬原型虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS軟件的模塊分類2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.虛擬樣機(jī)(VirtualPrototyping,VP)也稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù),是在加工實(shí)物模型之前，利用三維CAD模型對產(chǎn)品進(jìn)行表示、測試和分析。它的基本含義是以產(chǎn)品的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)中對模型的各種動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析、測試和評估，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到以虛擬產(chǎn)品模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)的目的。虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型,它利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互探索虛擬物體的功能,而建立的反映產(chǎn)品幾何、功能、制造等方面特性的可交互的設(shè)計(jì)和分析的模型。虛擬樣機(jī)能夠從視覺、聽覺、觸覺以及功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品,它能夠反映物理樣機(jī)的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的特征。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.虛擬樣機(jī)（VP）2023/12/12虛擬樣機(jī)過程汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.虛擬樣機(jī)分類根據(jù)建模的目標(biāo)和目的，虛擬樣機(jī)方法可分為五類，分別為：1)可視化可視化模型用于檢查產(chǎn)品的形式以及外觀。這些模型對于不同的用戶，如市場銷售人員、用戶、管理者、產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)、工程師甚至是維修和維護(hù)人員之間的產(chǎn)品信息交流方面起到至關(guān)重要的作用。2)匹配性和干涉性匹配性和干涉性能減少不合理的匹配帶來的打磨或再制造加工的費(fèi)用，但是一個(gè)耗時(shí)也極易出錯(cuò)的過程，通常采用三維模型的VP則可以取代實(shí)物進(jìn)行這方面的檢查，從而獲益。采用VP能以很高的精度和速度進(jìn)行自動(dòng)檢查，并列出所有干涉情況。3)功能、性能的測試和驗(yàn)證在新產(chǎn)品開發(fā)的階段，原型被不斷用于驗(yàn)證該產(chǎn)品各種特征的功能和性能?；谌S實(shí)體模型，虛擬原型技術(shù)包括詳細(xì)的集合信息(如重心、表面、體)和非集合信息(如密度、剛度等)的精確模型。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.虛擬樣機(jī)分類4)加工以及組裝操作的評估可加工型是在一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)被認(rèn)為可行之前需要考慮的。材料、加工類型和次序等加工規(guī)劃以及加工過程的仿真對于能否加工出所需形狀十分重要。組裝規(guī)劃的設(shè)計(jì)和生成用來保證組裝順利進(jìn)行。虛擬拆裝包括拆裝次序、工具變化、部件和緊固件的拆開軌跡，可以自動(dòng)生成或者根據(jù)用戶的需要自動(dòng)生成。5)人自身因素的分析產(chǎn)品加工包括可能由人進(jìn)行的處理、組裝、包裝和維護(hù)。通常，采用全尺寸產(chǎn)品樣機(jī)和真人大小模型或真人進(jìn)行產(chǎn)品的安全性、人機(jī)工程、可視性和操控性等的評估，能廣泛的利用VP技術(shù)進(jìn)行研究。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是將CAD建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作(CSCW)技術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來，形成一個(gè)基于計(jì)算機(jī)、桌面化的分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的并行工程方法。在建立第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析并從圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.虛擬樣機(jī)技術(shù)虛擬樣機(jī)側(cè)重于產(chǎn)品的數(shù)字化模型,是虛擬樣機(jī)技術(shù)的載體和研究對象，它是對于實(shí)際物理樣機(jī)有相似功能的系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型的計(jì)算機(jī)仿真。虛擬樣機(jī)技術(shù)側(cè)重于虛擬樣機(jī)的應(yīng)用,指使用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)對候選設(shè)計(jì)方案的某方面或綜合性能進(jìn)行仿真測試和評估的過程。1223333汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.5汽車虛擬試驗(yàn)虛擬試驗(yàn)的應(yīng)用虛擬試驗(yàn)的實(shí)施方案虛擬實(shí)驗(yàn)場技術(shù)概述VPG技術(shù)的提出和發(fā)展汽車虛擬試驗(yàn)場虛擬試驗(yàn)場的功能和特點(diǎn)2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁1.虛擬試驗(yàn)的定義從廣義上講，任何不使用或部分使用實(shí)際硬件來構(gòu)造試驗(yàn)環(huán)境，完成實(shí)際物理試驗(yàn)的方法和技術(shù)都可以稱為虛擬試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)可以定義為在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)。而虛擬試驗(yàn)環(huán)境是基于軟件工程研制的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，它允許設(shè)計(jì)者將虛擬原型安裝在其上進(jìn)行“試驗(yàn)”，借助交互式技術(shù)和試驗(yàn)分析技術(shù)，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段就能對產(chǎn)品的運(yùn)行性能進(jìn)行評價(jià)或體驗(yàn)?；蛘咛摂M試驗(yàn)就是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用軟件代替部分硬件或全部硬件來建立各種虛擬的試驗(yàn)環(huán)境，使試驗(yàn)者可以如同在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的試驗(yàn)項(xiàng)目，使所取得的試驗(yàn)效果接近或等價(jià)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁2.虛擬試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)(1)可以大幅度減少樣機(jī)制造試驗(yàn)次數(shù)，縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期，同時(shí)，降低實(shí)際試驗(yàn)的費(fèi)用。(2)虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用與復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者、產(chǎn)品用戶在設(shè)計(jì)階段信息的互反饋，使設(shè)計(jì)者全方位吸收、采納對新產(chǎn)品的建議。(3)虛擬試驗(yàn)技術(shù)代替實(shí)際試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)不受場地、時(shí)間和次數(shù)的限制，可對試驗(yàn)過程進(jìn)行回放、再現(xiàn)和重復(fù)。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.VPG技術(shù)的提出和發(fā)展虛擬試驗(yàn)場技術(shù)(VirtualProvingGround),簡稱

VPG技術(shù)，即是一個(gè)對整車系統(tǒng)性能全面仿真實(shí)用軟件的代表。VPG技術(shù)是汽車CAE技術(shù)領(lǐng)域的新代表。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁3.VPG技術(shù)的提出和發(fā)展VPG以整車系統(tǒng)為分析對象，考慮系統(tǒng)各類非線性，以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷，對整車系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、全頻率振動(dòng)噪聲分析和數(shù)據(jù)處理及碰撞歷程仿真。達(dá)到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期即可得到樣車道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“整車性能預(yù)測”效果的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.汽車虛擬試驗(yàn)場汽車試驗(yàn)場是由各種試驗(yàn)道路、試驗(yàn)場地、試驗(yàn)室以及各種輔助建筑等組成的綜合性試驗(yàn)設(shè)施，用來確定汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其基本使用性能:可靠性、耐久性、堅(jiān)固性、動(dòng)力性、制動(dòng)性、通過性、操縱性、穩(wěn)定性、行駛平順性、安全性和燃料經(jīng)濟(jì)性等等。由于試驗(yàn)場內(nèi)有些試驗(yàn)路段是模擬車輛的實(shí)際使用工況，使車輛的零部件所產(chǎn)生的典型損壞性能與實(shí)際使用時(shí)的情況基本相同，而且能在很短的試驗(yàn)里程內(nèi)即可獲得試驗(yàn)結(jié)果，因此可以大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁4.汽車虛擬試驗(yàn)場為了進(jìn)行汽車試驗(yàn)而建設(shè)起來的試驗(yàn)場，是一個(gè)占地面積幾十平方公里的大型綜合性試驗(yàn)基地。它包括各種車輛實(shí)際可能遇到的一切典型使用條件的模擬設(shè)施：例如能進(jìn)行車速超過200km/h的高速環(huán)行跑道，能進(jìn)行各種性能測試的道路，能進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)的各種路面、地面，有各種坡道、滑臺(tái)、涉水池以及相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備。汽車可以在這種試驗(yàn)場中完成各種性能壽命試驗(yàn)，雖然這種設(shè)施耗費(fèi)巨大，投資數(shù)以億元計(jì)，但是由于在試驗(yàn)場里能探人研究汽車產(chǎn)品的各種性能，縮短試驗(yàn)周期，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的可比性和試驗(yàn)工作的安全性。在人力、物力和時(shí)間上都得到明顯的效益，如臺(tái)車晝夜行駛里程可高達(dá)2000km，強(qiáng)化路面試驗(yàn)行駛1600km相當(dāng)于一般使用中行駛160000km，強(qiáng)化程度達(dá)1:100，所以這種試驗(yàn)場已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)不可缺少的典型試驗(yàn)設(shè)施。2023/12/12汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁5.VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)(1)分析對象不再是分開的各個(gè)零部件，而是包括車身fem模型、懸掛系(彈簧、減振器、動(dòng)力控制臂)、轉(zhuǎn)向梯形、車輪輪胎等整車非線性系統(tǒng)模型。這樣，車身和懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間難以明確的作用力關(guān)系已包含在分析模型之內(nèi)。汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)

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頁5.VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)(2)分析模型數(shù)據(jù)庫化。眾所周知，計(jì)算模型建模工作量是很大的。但是，除車身模型是車型分析時(shí)必須建立的模型，懸掛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎是完全可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫化的。這是因?yàn)椋@些結(jié)構(gòu)對轎車來說，結(jié)構(gòu)形式基本可以歸納成幾種基本類型和數(shù)量有限的幾個(gè)參數(shù)來描述。用戶只需選擇結(jié)構(gòu)類型，給出參數(shù)即可產(chǎn)生計(jì)算模型。當(dāng)然用戶自行建立模型也是完全可以的。同時(shí)軟件數(shù)據(jù)庫可以增加用戶模型數(shù)據(jù)，隨著用戶應(yīng)用面的增多，數(shù)據(jù)庫會(huì)更加豐富。當(dāng)前懸掛數(shù)據(jù)庫保存有mcpherson液壓減振器strut、長短臂short-longarm、hotchkiss漸變?nèi)~