汽車仿真技術(shù)-彤

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一 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(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ) 以計算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具 借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究 的一門綜合性技術(shù) 計算機(jī)仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計系統(tǒng)的全過程中 包 括方案論證 技術(shù)指標(biāo)確定 設(shè)計分析 生產(chǎn)制造 試驗測試 維護(hù)訓(xùn)練 故 障處理等各個階段 如訓(xùn)練飛行員 宇航員仿真工作臺和仿真機(jī)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(jī) 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(xué)角度分析 在現(xiàn)代汽車企業(yè)的競爭中 產(chǎn)品的質(zhì)量 成本和投放市場的周期是最核心 競爭力的體現(xiàn) 汽車仿真技術(shù)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(xué)角度來分主要有 整車疲勞壽命分析 整車系統(tǒng)動力學(xué)分 析 整車系統(tǒng) NVH 分析 碰撞模擬和乘員保護(hù) 汽車外流場的空氣動力學(xué)分析 等 2 1 疲勞壽命分析 結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是其主要的失效形式 因此結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命是 其強(qiáng)度和可靠性研究的主要內(nèi)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(jìn)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(chǎn)生和擴(kuò)展不加以明確區(qū)分 能夠預(yù)測到有較大的損傷和破壞后的 總壽命 當(dāng)然 這種方法也能夠?qū)Σ牧显谝幌盗醒h(huán)載荷作用下各部位的損傷 度 剩余壽命進(jìn)行評價 2 根據(jù) E N 曲線進(jìn)行萌生壽命分析是所謂的裂紋萌生分析法 它根據(jù)關(guān)鍵 點的應(yīng)變來預(yù)測疲勞壽命 這個方法一般用于對整個結(jié)構(gòu)的安全可能造成致命 危險的高應(yīng)變區(qū)域 3 根據(jù)線彈性破壞力學(xué)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析是一種建立在線彈性破壞力學(xué) LEFM 理論基礎(chǔ)上的預(yù)測裂紋擴(kuò)展的方法 一般適用于結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)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(yīng)力 應(yīng)力集中等設(shè)計因素進(jìn)行 靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計 通常 一個疲勞分析可分為 4 個階段 材料特性 構(gòu)件疲勞試驗 載荷歷 史確定和分析方法 分析方法把前 3 個測量階段組合起來并得出壽命預(yù)計 第 5 個階段可以對構(gòu)件壽命預(yù)計與測量的疲勞壽命值進(jìn)行此較 2 2 系統(tǒng)動力學(xué)分析 汽車系統(tǒng)動力學(xué)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(xué)分析方法 在研究過程中需要處理如下基本問題 1 坐標(biāo)系選擇問題 相對坐標(biāo)法是目前常用的方法 它的特點是每個體上 固結(jié)一個局部坐標(biāo)系 絕對坐標(biāo)法則用統(tǒng)一的坐標(biāo)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(zhì)上是無限自由度系統(tǒng) 為適應(yīng)計算機(jī)數(shù) 值計算的要求 必須對柔性體進(jìn)行離散化 常用方法有 假設(shè)模態(tài)法 有限段 方法 有限元方法等 有限元法與模態(tài)分析相結(jié)合是常用的方法 該方法將系 統(tǒng)的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo) 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(xué)方程 可對隔離體建立動力學(xué)方程 Lagrange 方程 分析力學(xué)方程 它從 系統(tǒng)的能量角度入手建立動力學(xué)方程 Kane 方程 它兼有矢量力學(xué)和分析力學(xué) 的特點 各種動力學(xué)原理與方程具有等效性 通常采用有限元 假設(shè)模態(tài) 校 正模態(tài) 奇異擾動等方法獲得柔性體動力學(xué)有限維逼近的坐標(biāo)基 聯(lián)同關(guān)節(jié)變 量作為廣義坐標(biāo) 通過 Lagrange 方程或變分原理導(dǎo)出動力學(xué)方程組 4 動力學(xué)方程數(shù)值算法問題 多體系統(tǒng)動力學(xué)方程的系數(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(dǎo)致仿真結(jié)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(jìn)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(xué)方法主要應(yīng)用于底盤懸架系統(tǒng) 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)振動 車室內(nèi)部空腔噪聲的建模 分析 另一方面 與多體系統(tǒng)動力學(xué)方法結(jié)合來分析汽車底盤系統(tǒng)的動力學(xué)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(quán)余量法發(fā)展而 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(nèi)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 4 統(tǒng)計能量分析方法對于中 高頻 300Hz 以上 的汽車 NVH 特性預(yù)測 如 果采用 FEM 建立模型 將大大增加工作量而且準(zhǔn)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(zhǔn)確地模擬中高頻段聲學(xué)特性 2 4 碰撞模擬和乘員保護(hù) 汽車碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)中包含 5 個方面的內(nèi)容 即 前撞 后撞 側(cè)撞 頂部 壓垮和側(cè)門強(qiáng)度 汽車碰撞仿真主要進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究 碰撞生物力 學(xué)研究和乘員約束系統(tǒng)及安全內(nèi)飾件研究 車身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小 目前 車身 結(jié)構(gòu)的耐撞性研究通常采用實車碰撞和計算機(jī)仿真相結(jié)合的方法 仿真汽車結(jié) 構(gòu)模型包括 完整的白車身 包括前后風(fēng)窗 保險杠系統(tǒng) 包括低速吸能系統(tǒng) 門 帶玻璃 發(fā)動機(jī) 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(xué)主要研究人體在不同形式的碰撞中的傷害機(jī)理 人體各部位 的傷害極限 人體各部位對碰撞載荷的機(jī)械響應(yīng)特性以及碰撞實驗用人體替代 物 仿真模型包括各種百分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(nèi)飾件研究目的是盡量避免人體與 內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞 內(nèi)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(jīng)過標(biāo)定 安全帶是乘員保護(hù)系統(tǒng)中最早采用的裝備 其設(shè)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(hù)乘員有顯著效果 安全氣囊是另一種常見的乘員保護(hù)設(shè)備 它與安全帶的合理匹配可對乘員進(jìn)行 有效保護(hù) 安全座椅 吸能式方向盤 軟化的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)主要包括 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(xué)方法和機(jī)械 振動學(xué)方法 有限元法的優(yōu)點在于能真實描述結(jié)構(gòu)的變形 適用于建立汽車結(jié) 構(gòu)模型以及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)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(xué)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(jī)械振動學(xué)方法可以彌補(bǔ)多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方法不能研究可變形體響應(yīng)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(zhì)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(jī)械振 動學(xué)的方法來求解碰撞系統(tǒng)響應(yīng)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(xué)方 法的有機(jī)結(jié)合 能夠解決汽車碰撞分析中幾乎所有的響應(yīng)問題 但由于抗力元 件的非線性特性必須預(yù)先測定 同時又要保證所測得的特性恰恰是構(gòu)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(gòu)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(shù)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(shù)發(fā)展的核心 發(fā)展新的人體模型模擬技術(shù) 尋求接觸搜尋新算法 研究降階積分新技術(shù) 2 5 汽車外流場空氣動力學(xué)分析 當(dāng)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(xué)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(jìn)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(xué)數(shù)值仿真中得到了廣泛應(yīng)用 近年來汽車外流場空氣動力學(xué)分析主要發(fā)展方向是 PFV 方法在該領(lǐng)域的 應(yīng)用 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或計算流體動力學(xué) CFD 方法進(jìn)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(jié)構(gòu)仿真分析在汽車上的應(yīng)用 現(xiàn)代設(shè)計理論和方法 特別是其中的計算機(jī)輔助分析技術(shù)的運用使汽車結(jié) 構(gòu)的分析水平有了質(zhì)的飛躍 有限元法問世以來很快就在車輛系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域得 到了應(yīng)用 結(jié)構(gòu)仿真分析已經(jīng)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(yīng)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(xué)分析 機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析和虛擬樣機(jī) 可靠性分析 安全性分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等產(chǎn)品設(shè)計的重要工作環(huán)節(jié) 對于較為傳統(tǒng)的有限 元分析內(nèi)容 即結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度分析 溫度場分析 較為簡單的流場分析 振動 分析 發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)十分成熟 除有限元以外 其它數(shù)值分析方法 也得到了不同程度的應(yīng)用 相對來講沒有達(dá)到有限元法理論 方法和應(yīng)用工具 的成熟程度 80 年代后 國外普遍用有限元法進(jìn)行復(fù)雜工程問題的分析 尤其 是零部件靜力結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)十分普及 有代表性的國外著名研究機(jī)構(gòu)和公司如 奧地利 AVL 英國 Ricardo 美國的 SWRI U S ATAC GM Ford Cummins 日 本的 Nissan Toyota Honda 德國的 Benz Deutz Volkswagen 3 1 靜力剛強(qiáng)度仿真分析 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是汽車結(jié)構(gòu)功能及可靠性設(shè)計中所關(guān)心的最基本問題 因此 結(jié)構(gòu)靜力計算機(jī)數(shù)值分析是最早開始進(jìn)人工程應(yīng)用的內(nèi)容 也是目前最為成 熟的仿真應(yīng)用領(lǐng)域之一 國外用有限元法對汽車中復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析始于 70 年代 初期只 是針對結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型較為簡單的零件進(jìn)行分析 分析規(guī)模較小 早期的汽車 零部件結(jié)構(gòu)分析受計算工具的限制 一般分析對象結(jié)構(gòu)簡單 采用簡化的模型 一般用來計算平面應(yīng)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(jié)果對比的模式進(jìn)行多次試算 分析計算結(jié)果可信度 低 這些早期的工作為基于數(shù)值仿真的結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)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(yīng)用于靜力分析的理論和程序已 經(jīng)相當(dāng)成熟 因此工程應(yīng)用中有限元分析主要關(guān)心的問題是模型建立的合理性 與易用性 其中 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格生成方法 網(wǎng)格質(zhì)量檢查方法和準(zhǔn)則 自適應(yīng)網(wǎng)格修正是分析幾何模型的核心問題 邊界描述的可表達(dá)性 邊界條 件施加的精確性是模型力學(xué)條件的核心問題 隨著商品化軟件的發(fā)展和汽車結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗的不斷積累 對零部件的靜力 分析已經(jīng)成為十分成熟的手段 在應(yīng)用方法上值得研究的主要是復(fù)雜非線性 復(fù)雜組合結(jié)構(gòu) 多物理場耦合效應(yīng)等靜力分析 國內(nèi)應(yīng)用有限元法進(jìn)行動力裝置結(jié)構(gòu)靜力分析始于 80 年代 對于典型復(fù) 雜零件如柴油機(jī)缸蓋 柴油機(jī)機(jī)體等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析 從 80 年代后期開始 對零件的有限元靜力分析成為高校和研究所重視的普及技術(shù) 90 年代中期成為 產(chǎn)品設(shè)計中的普遍采用的手段 國內(nèi)外對軍用車輛動力 傳動系主要零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析進(jìn)行了大量的 研究 國內(nèi)有北京理工大學(xué) 吉林工業(yè)大學(xué) 北方車輛研究所等單位較早地開 展了車輛零部件結(jié)構(gòu)靜力剛強(qiáng)度的研究工作 涉及到幾乎所有的主要零部件 3 2 結(jié)構(gòu)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(fù)雜動態(tài)機(jī)械系統(tǒng) 其振動形態(tài)復(fù)雜 振 源多種多樣 需要研究的領(lǐng)域廣 從 70 年代后期開始 國外將基于有限元分析的計算機(jī)動力學(xué)仿真應(yīng)用于 該領(lǐng)域 其中動響應(yīng)分析是研究的熱點之一 基于動力學(xué)性能預(yù)測是進(jìn)行結(jié)構(gòu) 動態(tài)設(shè)計的基本條件 對于汽車總體方案或零部件設(shè)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(yīng) 葉 片類動響應(yīng)性質(zhì) 復(fù)雜總體結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性等 零部件的動態(tài)特性研究在計算方法 計算精度圖 3 戴姆勒 克萊斯勒公司 用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(jìn)步 主要表現(xiàn)在 1 多學(xué)科 多種數(shù)值求解方法的綜合應(yīng)用 如振動與噪聲分析 基于動響應(yīng)的 疲勞可靠性分析 以及軸承潤滑分析等等 其領(lǐng)域涉及位移應(yīng)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(nèi)從 80 年代中期開始進(jìn)行汽車主要零部件的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性研究 早 期典型研究是吉林工業(yè)大學(xué) 1985 年用有限元法對發(fā)動機(jī)機(jī)體進(jìn)行自由模態(tài)分 析并由計算的振型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計修改 90 年代以來國內(nèi)在汽車結(jié)構(gòu)的特性研究 中的研究文獻(xiàn)較多 如有基于零部件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)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(jié)構(gòu)模態(tài)和動力響應(yīng)分析方面取 得很大發(fā)展 如北京理工大學(xué)在基于總體結(jié)構(gòu)的振動與噪聲分析方面進(jìn)行了一 系列研究 圖 4 為對某型號的動力傳動組合結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)仿真的商業(yè)化軟件多種多樣 許多軟件已經(jīng) 達(dá)到很完善的程度 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析類軟件主要有 NASTRAN ANSYSABAQUS MARC PATRAN DYNA3D 等 機(jī)械系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真類軟件主要有 ADAMS SIMPAC K DADS 等 通用機(jī)械 CAD CAE 軟件主要有 I DEAS UG PRO ENGINEER CATI A 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 MOD GM 公司的 GPSIM 和 DRIVESIM Caterpillar 公司的 E NTERPRISE 等 這些公司利用這些仿真工具加速了產(chǎn)品的研發(fā) 國內(nèi)車輛系統(tǒng)方面的仿真工具的開發(fā)與國外差距很大 基本上是應(yīng)用國外 先進(jìn)的軟件 根據(jù)本領(lǐng)域的研究需要 進(jìn)行一定程度的二次開發(fā) 尚沒有較為 理想的應(yīng)用軟件系統(tǒng) 四 汽車仿真技術(shù)展望 汽車結(jié)構(gòu)仿真分析模型由線性模型發(fā)展到非線性 由簡單的靜態(tài)分析發(fā)展 到動態(tài)分析 由某一單獨零件或零件的某一局部發(fā)展到整體組合結(jié)構(gòu)的分析 由單一物理場發(fā)展到多個物理場耦合分析 仿真分析的精度也在不斷提高 從所考慮工況的角度看 對車輛主要零部件結(jié)構(gòu)分析逐漸由單一的產(chǎn)品工 作狀況分析變?yōu)榭紤]制造 裝配等工藝參數(shù)的產(chǎn)品全生命周期的分析 以往基 于數(shù)值分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)可行性進(jìn)行評價為主導(dǎo) 現(xiàn) 在的發(fā)展趨勢是以對結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測為主導(dǎo) 此外 隨著 CAD CAE 集成軟件發(fā)展和優(yōu)化理論的進(jìn)一步實用化 依賴先進(jìn) 前處理技術(shù)和高配置硬件設(shè)備 汽車上復(fù)雜零部件的數(shù)值仿真分析開始逐步應(yīng) 用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 結(jié) 論 綜上所述 汽車仿真技術(shù)的力學(xué)問題是一個重要的研究領(lǐng)域 了解它們的 研究內(nèi)容 分析方法 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有利于我們更好地把握這一領(lǐng)域 從而 更好地為汽車的發(fā)展服務(wù) 由于仿真技術(shù)的引入 汽車的研究與開發(fā)方法和流程發(fā)生了革命性的變化 伴隨著這一技術(shù)的繼續(xù)深入發(fā)展 汽車產(chǎn)品的研究與開發(fā)終將成為一項系統(tǒng) 的并行工程 每一位汽車技術(shù)工作者都將面臨這一機(jī)遇和挑戰(zhàn)