汽車試驗學(xué)課件 第11章 汽車虛擬試驗-

第11章

汽車虛擬試驗課件制作：許兆棠汽車試驗學(xué)（許兆棠主編）機械工業(yè)出版社11.1汽車虛擬試驗概述11.2汽車虛擬試驗的常用軟件11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用講授內(nèi)容11.1汽車虛擬試驗概述

1.汽車虛擬試驗的概念汽車虛擬試驗是利用計算機、仿真軟件及相關(guān)儀器，借助計算機交互式技術(shù)和汽車試驗理論及分析技術(shù)，用軟件模擬汽車試驗設(shè)備、試驗場上的真實試驗，部分替代或全部替代汽車試驗設(shè)備、試驗場上的真實試驗，取得接近或等價于真實試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果。

汽車虛擬試驗是非真實試驗，是在虛擬試驗環(huán)境下的計算機仿真試驗。11.1汽車虛擬試驗概述11.1汽車虛擬試驗概述

2.汽車虛擬試驗系統(tǒng)汽車虛擬試驗系統(tǒng)由計算機和軟件兩大部分構(gòu)成。

計算機可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式筆記本電腦、工作站、嵌入式計算機等，用于結(jié)果顯示、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)運算、網(wǎng)絡(luò)通信等。

汽車虛擬試驗常用的軟件有：Adams軟件、Matlab軟件、Advisor軟件、Cruise軟件、CarSim軟件、MSC.Fatigue軟件、nSoft軟件等，各個軟件有不同的功能，這些軟件將試驗環(huán)境、對象全部抽象為數(shù)學(xué)模型，通過在計算機上的數(shù)學(xué)運算得到試驗結(jié)果，也即仿真試驗結(jié)果。11.1汽車虛擬試驗概述

3.汽車虛擬試驗的特點（1）試驗成本低

汽車虛擬試驗在計算機上進(jìn)行，僅用計算機和軟件，不使用車輛、試驗設(shè)備和場地，大大降低實際試驗的成本。（2）試驗可重復(fù)

汽車虛擬試驗可靈活地改變試驗參數(shù)和試驗條件，反復(fù)進(jìn)行試驗；試驗不受場地、時間和次數(shù)的限制，可對試驗過程進(jìn)行回放、再現(xiàn)和重復(fù)。（3）試驗安全

汽車虛擬試驗可以避免真實試驗的危險性和危害性，尤其是汽車碰撞、側(cè)翻、側(cè)滑、移線、蛇行等試驗。（4）試驗可控性好

汽車真實試驗中，一些高難度試驗，因涉及的參數(shù)多、環(huán)境復(fù)雜，使得試驗條件不易控制，如汽車移線、蛇行、ABS系統(tǒng)等試驗，采用汽車虛擬試驗，可人為設(shè)計和靈活改變復(fù)雜的環(huán)境和眾多的參數(shù)進(jìn)行重復(fù)試驗。（5）信息量大而豐富完成一次汽車虛擬試驗，可將系統(tǒng)各個部位及環(huán)節(jié)的各種信息采集下來，如驅(qū)動電機、電池、懸架等機和電的參數(shù)信息，并以多種形式（文字、數(shù)據(jù)、曲線、圖形、動畫等）展現(xiàn)出來。而完成一次真實試驗，由于數(shù)據(jù)采集記錄和測試條件的限制，所獲得的信息量十分有限。11.2汽車虛擬試驗的常用軟件

1.Adams軟件

Adams即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），是由美國MDI公司開發(fā)的虛擬試驗軟件。Adams用于機構(gòu)、機械系統(tǒng)的靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。

2.Matlab軟件

Matlab是由美國Mathworks公司于1982年開發(fā)的一款用于數(shù)值分析、矩陣計算、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真等諸多功能集成在一起的軟件。Matlab中的Simulink模塊是一個能實現(xiàn)系統(tǒng)可視化建模、動態(tài)仿真和分析的軟件包，用戶只需用鼠標(biāo)將相應(yīng)的模塊拖放到建模窗口中，并采用合適的連接方式將各模塊連接起來，就可建立起直觀的系統(tǒng)模型，并可利用鼠標(biāo)點擊來啟動仿真。11.2汽車虛擬試驗的常用軟件

3.Advisor軟件

Advisor即高級車輛仿真器(AdvancedVehicleSimulator)，是由美國能源部(DOE)為管理混合動力驅(qū)動系統(tǒng)子合同項目所開發(fā)的，是一種基于Matlab/Simulink環(huán)境的可用于分析傳統(tǒng)汽車、純電動汽車和混合動力汽車的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性等性能的虛擬試驗軟件。該軟件采用模塊化的設(shè)計思想，提供了整車、離合器、發(fā)動機、變速器、主減速器、車軸、車輪、變速器、道路循環(huán)和機械負(fù)載等模塊，各模塊間都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入和輸出接口，以便在模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

11.2汽車虛擬試驗的常用軟件4.Cruise軟件

Cruise軟件是由奧地利AVL李斯特內(nèi)燃機及測試設(shè)備公司開發(fā)的一款研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動性能的仿真軟件，該軟件采用模塊化的建模方法，可以搭建和仿真任何一種配置的汽車系統(tǒng)。Cruise軟件可用于汽車開發(fā)過程中的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、排放系統(tǒng)開發(fā)，汽車性能預(yù)測、整車仿真計算以及控制參數(shù)和駕駛性能的優(yōu)化；可實現(xiàn)發(fā)動機、輪胎、電動機、變速器等部件的選型及其與車輛的匹配優(yōu)化。11.2汽車虛擬試驗的常用軟件5.CarSim軟件CarSim是專門針對車輛動力學(xué)的仿真軟件，可以仿真車輛對駕駛員，路面及空氣動力學(xué)輸入的響應(yīng)，主要用來預(yù)測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經(jīng)濟(jì)性。CarSim可以方便靈活的定義試驗環(huán)境和試驗過程，詳細(xì)的定義整車各系統(tǒng)的特性參數(shù)和特性。

6.MSC．Fatigue軟件

MSC.Fatigue是由nCode和MSC公司合作開發(fā)的疲勞壽命有限元分析軟件。MSC.Fatigue可用于結(jié)構(gòu)的初始裂紋分析、裂紋擴展分析、振動疲勞分析、焊接疲勞分析、疲勞優(yōu)化設(shè)計、多軸疲勞分析和應(yīng)力壽命分析等。MSC.Fatigue具有約200種材料的材料數(shù)據(jù)庫，帶有圖形顯示、輸入和編輯以及檢索功能；擁有多軸載荷鑒別及顯示工具；與nSoft軟件兼容，支持多種計算機平臺；還可對材料進(jìn)行表面加工和修正表面處理等。11.2汽車虛擬試驗的常用軟件7.nSoft軟件nSoft是由nCode公司開發(fā)的一套專門為解決工程系統(tǒng)疲勞問題的軟件，主要由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、疲勞分析等模塊組成，其功能涵蓋了數(shù)據(jù)采集、疲勞分析以及實驗室疲勞模擬三個工程疲勞設(shè)計的主要領(lǐng)域。nSoft主要由核心模塊nSoft-E、nSoft-E擴充模塊、疲勞分析模塊Fatimas和疲勞實驗室數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)TestLab組成。8.VGP虛擬試驗場軟件

2001年由美國ETA(EngineeringTechnologyAssociates，Inc.)推出的VPG虛擬試驗場軟件。該軟件可模擬汽車在搓板路、石塊路、卵石路、扭曲路等試驗場的路面上的試驗；可模擬汽車碰撞安全試驗，軟件中集成了汽車各總成（懸架、輪胎等）、試驗場路面的模型數(shù)據(jù)庫，還集成了各種假人、壁障和沖擊錘的標(biāo)準(zhǔn)模型。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

1．動力性與經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗

基于Cruise軟件的動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗的基本步驟如下：

（1）整車仿真模型的建立1）結(jié)構(gòu)模型的建立

將整車模塊(Vehicle)、發(fā)動機模塊（Engine）、傳動軸模塊（Shaft）、主減速器模塊(SingleRatio)、離合器模塊(Clutch)、制動器模塊(Brake)、變速器模塊(CearBox)、駕駛室模塊(Cockpit)、差速器模塊(Differential)及車輪模塊(Wheel)等從Cruise模型庫中拖到建模窗口，并建立各模塊間的連接關(guān)系，就可建立整車仿真所需模型。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用2）各模塊參數(shù)的輸入

在輸入模板中輸入各模塊參數(shù)。需要輸入的各模塊參數(shù)主要有整車的迎風(fēng)面積、空載質(zhì)量和阻力系數(shù)；主減速器的傳動比及傳動效率；發(fā)動機的外特性曲線；變速箱各擋速比及傳動效率；旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量；燃油消耗量MAP圖；輪胎的滾動阻力系數(shù)以及離合器結(jié)合過程規(guī)律等。各模塊參數(shù)來自試驗的車輛。發(fā)動機的外特性曲線可由試驗車輛的發(fā)動機在發(fā)動機試驗臺上測得。要使仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠，需要在相應(yīng)的模塊中輸入大量的試驗數(shù)據(jù)，并通過仿真計算及相關(guān)性分析對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。各模塊參數(shù)正確與否，直接影響虛擬試驗的結(jié)果，及與真實試驗的接近程度或精度。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用3）仿真計算模式的選擇

在Cruise軟件中，有多種計算模式可供用戶選擇。就算法來說有穩(wěn)態(tài)計算、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計算和瞬態(tài)計算三類；就計算種類而言有簡單計算、組合計算、矩陣復(fù)合計算和批處理計算四類。每種計算模式都有各自的運算范圍和計算特點，使用者可在汽車?yán)碚?、汽車?gòu)造、汽車設(shè)計和汽車試驗學(xué)等的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算需要，選擇相應(yīng)的計算模式。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

（2）動力性與經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗實現(xiàn)

在整車仿真模型建立后，要按照自己的仿真需要對該車型的動力性和經(jīng)濟(jì)性計算任務(wù)進(jìn)行定義，Cruise軟件提供的計算任務(wù)主要有最高車速、加速性能、爬坡性能、最大牽引力、經(jīng)濟(jì)性、制動和滑行性能等。

在Cruise軟件中，對所建立的仿真模型進(jìn)行動力性能虛擬試驗，就可完成車輛的最高車速、加速性能和爬坡性能的虛擬試驗，獲得最高車速、加速時間和最大爬坡度等虛擬試驗結(jié)果。通過燃油經(jīng)濟(jì)性虛擬試驗就可獲取一定工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽車行駛的里程等參數(shù)。為了避免單一工況下燃油消耗量的仿真結(jié)果不全面的弊端，還可獲得由等速、加速、減速和怠速工況組成的多工況循環(huán)行駛百公里的燃油消耗量。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用（3）試驗分析與驗證獲得虛擬試驗結(jié)果后，使用者可在汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摗⑵噭恿W(xué)、汽車設(shè)計和汽車試驗學(xué)等的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算需要，對虛擬試驗結(jié)果可信度進(jìn)行分析。如有必要，做汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性的實測試驗，對比真實試驗結(jié)果與虛擬試驗結(jié)果，以驗證所建仿真模型的合理性和虛擬試驗結(jié)果的正確性。在試驗驗證中，要注意真實試驗與虛擬試驗的試驗條件的差異，如側(cè)向風(fēng)、路面不平度的影響等。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

2．制動性虛擬試驗

汽車制動性能虛擬試驗主要是由Adams軟件和Matlab軟件聯(lián)合仿真來實現(xiàn)。通常在Adams/View模塊或在Adams/Car模塊中建立多自由度的整車仿真模型，而在Matlab/Simulink模塊中建立防抱死制動系統(tǒng)(ABS)的控制模型，然后將防抱死制動系統(tǒng)(ABS)控制模型的仿真數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到Adams軟件中進(jìn)行整車多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真。虛擬試驗的基本步驟如下：

11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用（1）整車仿真模型的建立

在多體動力學(xué)軟件Adams/View模塊中建立多自由度的多體動力學(xué)整車仿真模型，該模型主要由車身、輪胎、前后懸架、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、橫向拉桿和傳動系等子系統(tǒng)組成。在對各子系統(tǒng)建立幾何模型時，還要依據(jù)各零部件的實際約束狀況建立各子系統(tǒng)間的約束。進(jìn)行整車模型制動性能虛擬試驗時，需要輸入的參數(shù)主要有質(zhì)量參數(shù)、幾何定位參數(shù)、路譜文件、輪胎特性參數(shù)以及驅(qū)動力矩和制動力矩等力學(xué)特性參數(shù)。整車仿真模型和參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響整車仿真模擬的精度，整車仿真模型來自汽車構(gòu)造，質(zhì)量參數(shù)、幾何定位參數(shù)、輪胎特性參數(shù)等仿真參數(shù)來自汽車的參數(shù)，路譜文件來自路譜測試或調(diào)用系統(tǒng)中的路譜。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用（2）制動性能虛擬試驗實現(xiàn)1）直線制動和轉(zhuǎn)彎制動虛擬試驗

汽車的制動性可按直線制動和轉(zhuǎn)彎制動兩類進(jìn)行研究，其中，直線制動可分為起步加速、勻速行駛和制動三個試驗研究階段；轉(zhuǎn)彎制動又可分為起步加速、轉(zhuǎn)彎、勻速行駛和制動四個試驗研究階段。

直線制動虛擬試驗的實現(xiàn)過程如下：起步加速階段虛擬試驗是通過在變速器輸入軸及主減速齒上施加驅(qū)動或轉(zhuǎn)矩，或者在傳動軸輸入端的旋轉(zhuǎn)副上加載驅(qū)動或轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)；勻速行駛階段可利用驅(qū)動力矩、驅(qū)動函數(shù)和IMPACT函數(shù)來控制汽車勻速行駛，進(jìn)而進(jìn)行虛擬試驗；制動階段虛擬試驗的實現(xiàn)通過兩種途徑來進(jìn)行：一種是通過在主減速齒上施加反力矩來抑制主減速齒輪轉(zhuǎn)動的方式，另一種方式是分別對前后輪施加制動力矩來達(dá)到停車的目的。轉(zhuǎn)彎制動虛擬試驗幾個階段的試驗方法都可以按照直線制動虛擬試驗相應(yīng)階段的方法進(jìn)行。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

2）防抱死制動系統(tǒng)(ABS)虛擬試驗

通過Adams軟件的Controls模塊，可對Adams模型施加復(fù)雜的控制，可實現(xiàn)Adams軟件中的系統(tǒng)動力學(xué)模型和Matlab/Simulink模塊中的控制模型的聯(lián)合仿真。在與Adams軟件結(jié)合以前，需要先在Matlab/Simulink模塊中建立以滑移率為參數(shù)的控制系統(tǒng)，然后將Matlab/Simulink模塊中輸出的文件導(dǎo)人到Adams軟件中，最后在Adams軟件中進(jìn)行防抱死制動系統(tǒng)與系統(tǒng)動力學(xué)模型的聯(lián)合仿真，以實現(xiàn)ABS的實時控制功能。

在防抱死制動系統(tǒng)(ABS)虛擬試驗方面主要是進(jìn)行車速與制動距離的仿真、ABS控制系統(tǒng)的通道數(shù)對汽車制動方向穩(wěn)定性和制動距離的影響。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用（3）試驗結(jié)果的分析與驗證

獲得虛擬試驗結(jié)果后，可在汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車動力學(xué)、汽車設(shè)計和汽車試驗學(xué)等的基礎(chǔ)上，根據(jù)計算需要，對虛擬試驗結(jié)果可信度進(jìn)行分析。如有必要，做汽車制動性的真實試驗，對比真實試驗結(jié)果與虛擬試驗結(jié)果，以驗證所建仿真模型的合理性和虛擬試驗結(jié)果的正確性。在試驗驗證中，要注意真實試驗與虛擬試驗的試驗條件的差異，如側(cè)向風(fēng)、附著系數(shù)的影響等。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用例11-1基于VGP虛擬試驗場軟件的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向虛擬試驗。

首先建立整車的三維實體模型，將白車身、懸架、輪胎及其他部件進(jìn)行合理裝配,即可得到整車剛彈耦合有限元模型,如圖11-4所示。根據(jù)汽車平順性試驗方法，采用三角形凸塊對路面脈沖激勵進(jìn)行描述，采集駕駛員座椅下方地板和座椅上加速度信號，得脈沖激勵下最大加速度響應(yīng)值車速特性，如圖11-5所示。圖11-1整車模型圖11-2汽車制動距離曲線11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

3．操縱穩(wěn)定性虛擬試驗

基于Adams軟件的操縱穩(wěn)定性虛擬試驗的基本步驟如下：（1）建立汽車操縱穩(wěn)定性的動力學(xué)模型

利用多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件Adams/Car，采用參數(shù)化建模方法建立汽車操縱穩(wěn)定性的動力學(xué)模型。將整車分為前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輪胎等模塊，分別建立各個子模塊的虛擬樣機模型，再將各子模塊裝配成整車模型，從而建立起汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)模型。（2）建立汽車虛擬試驗場模型

在路面模型中選擇虛擬試驗場。虛擬試驗場是與用戶最直接的接觸部分，逼真的虛擬試驗場景能真實地反映實際的實車狀態(tài)，更容易使用戶產(chǎn)生“身臨其境”的感覺，有助于沉浸感；對場景進(jìn)行光照、霧化、紋理映射等描述，可以形成較好的視覺感受。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用（3）汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗實現(xiàn)

在實現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗中，通過模型的輸入信號，驅(qū)動虛擬試驗場景中的虛擬汽車模型，使汽車做出在該輸入信號下的響應(yīng)，實現(xiàn)汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗。可根據(jù)GB/T6323-2014《乘汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》，對虛擬汽車模型輸入信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入、轉(zhuǎn)向回正、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向輕便性和蛇行虛擬試驗。11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用例11-2采用定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角試驗法的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向虛擬試驗。

先讓汽車沿半徑為15m的圓周緩慢行駛，保持轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不變，使汽車緩慢而均勻地加速，縱向加速度小于0.25m/s2，當(dāng)側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/s2時,停止虛擬試驗，從顯示器上可得圖11-3所示的汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)模型，圖11-4所示的汽車的縱向車速和橫擺角速度曲線，圖11-5所示的汽車瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎半徑R曲線。圖11-3汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)模型圖11-4汽車的縱向車速和橫擺角速度曲線圖11-5汽車瞬態(tài)轉(zhuǎn)彎半徑R曲線11.3汽車虛擬試驗的應(yīng)用

4．汽車平順性虛擬試驗汽車平順性虛擬試驗可基于Adams軟件或VGP虛擬試驗場軟件開展試驗工作，與汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗的方法相似。

(1)首先，建立包括乘員在內(nèi)的試驗汽車的三維實體模型；

(2)其次，建立虛擬試驗場的場景模型，場景模型范圍的大小要滿足試驗車輛行駛距離的要求，不同的道路應(yīng)有不同的道路場景，如隨機路面道路場景、波形路面道路場景、比利時路面道路場景等，以及凹陷、凸起等；

(3)然后，獲取平順性的動力學(xué)數(shù)據(jù)