汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)-第六章汽車虛擬試驗(yàn)

第6章汽車虛擬試驗(yàn)06.1汽車數(shù)字化仿真技術(shù)掌握汽車虛擬樣車技術(shù)概念及內(nèi)容，了解具體仿真流程。6.2汽車虛擬試驗(yàn)掌握汽車虛擬試驗(yàn)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，了解常用汽車虛擬試驗(yàn)技術(shù)6.3汽車碰撞安全仿真掌握汽車碰撞安全仿真的研究內(nèi)容、仿真過程，了解發(fā)展趨勢6.4汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)開發(fā)了解“V”字形開發(fā)模式以及汽車安全新技術(shù)1主要內(nèi)容及要求6.1汽車數(shù)字化仿真技術(shù)6.1.1仿真的基本概念與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。一、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。2二、數(shù)學(xué)仿真和物理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，如風(fēng)洞試驗(yàn)。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。3三、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)物理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型46.1.2汽車數(shù)字化仿真實(shí)質(zhì)：是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,在汽車設(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。目的：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。5仿真技術(shù)在系統(tǒng)研制中的應(yīng)用階段應(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6數(shù)字仿真的工作流程建立數(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7傳統(tǒng)的汽車數(shù)字仿真：將汽車抽象成一集中質(zhì)量、彈性模型，建立系統(tǒng)的力學(xué)與數(shù)學(xué)模型，這些模型通常是微分代數(shù)方程，然后對方程初值問題的數(shù)值求解，得到系統(tǒng)的響應(yīng)，確定整車動(dòng)力學(xué)參數(shù)與其性能之間的關(guān)系。局限性：信息量小、誤差大、無法確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或參數(shù)與性能之間的一一對應(yīng)關(guān)系。86.1.3汽車虛擬樣車技術(shù)指汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，基于其數(shù)字化原型，按實(shí)車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在同一系統(tǒng)中將汽車各零件部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)融合在計(jì)算機(jī)上制造出汽車產(chǎn)品的整體模型，并針對汽車在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測其整車或系統(tǒng)性能，進(jìn)而改進(jìn)汽車零部件的設(shè)計(jì)，以提高其性能的一種新技術(shù)。9汽車虛擬樣車仿真技術(shù)的內(nèi)容：(1)幾何仿真整車結(jié)構(gòu)的幾何特性與裝配關(guān)系的仿真(2)性能仿真

動(dòng)力學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)特性的仿真10虛擬樣車建模流程116.2.1虛擬試驗(yàn)的定義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)。也可以簡單的定義為在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)。目的：盡量減少物理樣機(jī)6.2汽車虛擬試驗(yàn)126.2.2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)。136.2.3VTL與VPG1.虛擬試驗(yàn)室（VirtualTestLab),簡稱VTL，是由各種軟硬件組成的物理試驗(yàn)臺的虛擬再現(xiàn)。2.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。VTL和VPG技術(shù)都是汽車CAE技術(shù)領(lǐng)域的新代表。14使用VTL的新車開發(fā)過程一、VTL虛擬試驗(yàn)室15使用VTL時(shí)的數(shù)據(jù)流16VPG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。17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、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)場里能深入研究汽車產(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。18VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)分析對象不再是分開的各個(gè)零部件，而是包括車身模型、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)。19VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)(2)分析模型數(shù)據(jù)庫化計(jì)算模型建模工作量很大，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。當(dāng)前懸掛數(shù)據(jù)庫保存有十種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。模型數(shù)據(jù)庫還有碰撞計(jì)算研究用的假人模型、碰撞計(jì)算障礙物模型等可供用戶引用。20VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)模型數(shù)據(jù)庫舉例21VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)(3)提供了全面的路面載荷VPG軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)典型的路面模型，是通常整車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)考核路面。例如：交替擺動(dòng)路面(alternateroll)、槽形路(potholetracks)、鵝卵石路(cobblestonetracks)、大扭曲路(bodytwistlane)、波紋路(rippletracks)、搓板路(washboards)以及比利時(shí)石塊(belgianblock)等。用戶可以輸入和保存自己的路面數(shù)據(jù)，也可以用任意三維數(shù)據(jù)構(gòu)造特定的路面。22VPG技術(shù)的功能和特點(diǎn)(4)計(jì)算技術(shù)分析內(nèi)容多樣化可以進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算、振動(dòng)噪聲分析計(jì)算、車輛碰撞歷程仿真、碰撞時(shí)乘員安全保護(hù)等多種結(jié)構(gòu)非線性分析。同時(shí)可以進(jìn)行整車非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，用來進(jìn)行整車舒適性、高速行駛性能和操縱穩(wěn)定性研究。國內(nèi)目前有交通部公路交通試驗(yàn)場、襄樊汽車試驗(yàn)場和定遠(yuǎn)國家試驗(yàn)場等。23襄樊汽車試驗(yàn)場全景圖246.3.1汽車碰撞安全仿真的研究內(nèi)容試驗(yàn)從以下五個(gè)方面來進(jìn)行：1）正面碰撞2）后部碰撞3）側(cè)面碰撞4）頂部壓垮5）側(cè)門強(qiáng)度6.3汽車碰撞安全仿真25試驗(yàn)的要研究的內(nèi)容：1）車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究2）碰撞生物力學(xué)研究3）乘員約束系統(tǒng)研究4）安全內(nèi)部飾件研究266.3.2汽車碰撞安全仿真的一般過程第一步寫出顯式有限元方程；第二步根據(jù)顯式有限元方程建立汽車整車有限元模型；第三步安置正面碰撞假人模型；第四步進(jìn)行各種狀況的碰撞安全仿真27汽車碰撞安全仿真的發(fā)展趨勢：1）提高仿真運(yùn)算速度，它是汽車碰撞仿真技術(shù)發(fā)展的核心；2）發(fā)展新的人體模型模擬技術(shù)；3）尋求接觸搜尋新算法；4）研究降解積分新技術(shù)；5）子循環(huán)技術(shù)。286.4.1控制器“V”字形開發(fā)模式開發(fā)階段和過程：1）功能描述及設(shè)計(jì)2）原型設(shè)計(jì)3）產(chǎn)品級代碼生成4）系統(tǒng)測試及檢驗(yàn)5）系統(tǒng)整合6.4汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)開發(fā)29“V”形開發(fā)模式301）先進(jìn)汽車主動(dòng)安全控制技術(shù)2）智能乘員約束技術(shù)3）汽車側(cè)面碰撞保護(hù)技術(shù)4）行人碰撞保護(hù)技術(shù)5）兒童乘員保護(hù)技術(shù)6）汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)7）疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)6.4.2汽車安全新技術(shù)311）先進(jìn)汽車主動(dòng)安全控制技術(shù)主動(dòng)安全性是指汽車避免發(fā)生意外事故的能力。主動(dòng)安全性包括行駛安全性、環(huán)境安全性、感覺安全性和操作安全性。汽車的行駛安全性是指汽車的裝備保證汽車運(yùn)行安全，同時(shí)具有最佳的動(dòng)態(tài)性能的能力，也就是通常說的良好的制動(dòng)性能、操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性和通過性。32電子穩(wěn)定程序ESP(b)在急轉(zhuǎn)彎車道上高速行駛時(shí)運(yùn)動(dòng)工況(c)在地面附著力不同的路面裝備與未裝備ESP車輛行駛效果對比(a)躲避前方突然出現(xiàn)障礙物運(yùn)動(dòng)工況ESP典型工作工況332）智能乘員約束技術(shù)智能安全氣囊氣囊式安全帶乘員頭頸保護(hù)系統(tǒng)34氣囊式安全帶氣囊式安全帶結(jié)合傳統(tǒng)的安全帶和安全氣囊技術(shù)，在汽車碰撞時(shí)，安全帶在乘員軀干和肩膀處展開成氣囊。353）汽車側(cè)面碰撞保護(hù)技術(shù)側(cè)面安全氣囊和氣簾

奔馳側(cè)面安全氣簾乘員之間獨(dú)特的安全氣囊364）行人碰撞保護(hù)技術(shù)智能安全保障系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋彈升技術(shù)行人安全氣囊系統(tǒng)37帶全力自動(dòng)剎車的行人探測系統(tǒng)

38發(fā)動(dòng)機(jī)蓋彈升技術(shù)

①加速度傳感器檢測撞到行人②ECU收到信號，進(jìn)行判斷，若速度超過25km/h以上，則發(fā)出點(diǎn)火命令③發(fā)動(dòng)機(jī)蓋彈起39行人安全氣囊系統(tǒng)405）兒童乘員保護(hù)技術(shù)BMW嬰兒座椅BMW兒童座椅（小）BMW兒童座椅（大）416）汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)通過雷達(dá)、超聲波、激光、紅外線等檢測手段，測定汽車與障礙物的距離。電腦根據(jù)事先儲(chǔ)存的程序，判斷出有碰撞的危險(xiǎn)時(shí)，向駕駛員發(fā)出警報(bào)。如果駕駛員未能及時(shí)采取措施，則向制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向器等發(fā)出指令，使制動(dòng)器制動(dòng)，或使轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)彎，以保證汽車的安全。4243倒車?yán)走_(dá)44利用多種傳感器，如圖像、激光雷達(dá)、壓力、角位移傳感器等，對上述典型疲勞特征信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，運(yùn)用各種信號處理方法提取和識別駕駛疲勞特征信息，應(yīng)用多傳感器信息融合理論，對互補(bǔ)或冗余的疲勞特征信息進(jìn)行有機(jī)融合，進(jìn)而建立疲勞駕駛智能決策模型對駕駛員是否疲勞駕駛進(jìn)行準(zhǔn)確可靠判斷，最后輸出報(bào)警模塊可將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，并通過聲