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第第6章章 汽车虚拟试验汽车虚拟试验0第6章 汽车虚拟试验06.1汽汽车数字化仿真技数字化仿真技术掌握汽掌握汽车虚虚拟样车技技术概念及内容，了解具体仿真概念及内容，了解具体仿真流程。流程。6.2汽汽车虚虚拟试验掌握汽掌握汽车虚虚拟试验特点和特点和优点，了解常用汽点，了解常用汽车虚虚拟试验技技术6.3汽汽车碰撞安全仿真碰撞安全仿真掌握汽掌握汽车碰撞安全仿真的研究内容、仿真碰撞安全仿真的研究内容、仿真过程，了程，了解解发展展趋势6.4汽汽车主主动安全系安全系统开开发了解了解“V”字形开字形开发模式以及汽模式以及汽车安全新技安全新技术1主要内容及要求主要内容及要求6.1汽车数字化仿真技术1主要内容及要求6.1汽车数字化仿真技术汽车数字化仿真技术6.1.1仿真的基本概念与分仿真的基本概念与分类 仿真仿真就是采用模就是采用模拟真真实系系统的模型，通的模型，通过对模型模型的分析和的分析和试验去研究真去研究真实系系统的工作行的工作行为。一、仿真的一般一、仿真的一般过程：程：（1 1）建立数学模型；）建立数学模型；（2 2）模型）模型变换；（3 3）编制仿真程序；制仿真程序；（4 4）进行仿真行仿真实验；（5 5）仿真）仿真结果整理分析。果整理分析。26.1汽车数字化仿真技术6.1.1仿真的基本概念与分类 2二、数学仿真和物理仿真二、数学仿真和物理仿真物理仿真物理仿真是通过对实际存在的模型进行试验，以研究是通过对实际存在的模型进行试验，以研究系统的性能，如风洞试验。系统的性能，如风洞试验。数学仿真数学仿真是利用系统的数学模型代替实际系统进行试是利用系统的数学模型代替实际系统进行试验研究，以获得现实系统的特征和规律。无需昂贵的验研究，以获得现实系统的特征和规律。无需昂贵的实物系统，也无需模拟生成客观真实环境的各种物理实物系统，也无需模拟生成客观真实环境的各种物理效应设备，而是建立数学模型，按数学模型选好合适效应设备，而是建立数学模型，按数学模型选好合适的算法，编好程序，在计算机上进行试验，再现和评的算法，编好程序，在计算机上进行试验，再现和评价客观世界的客观事物特性价客观世界的客观事物特性。3二、数学仿真和物理仿真3三、仿真建模的基本要求三、仿真建模的基本要求仿真的三个基本要素是仿真的三个基本要素是系统系统、模型模型、计算机计算机联系着它们的三项基本活动是联系着它们的三项基本活动是模型建立模型建立、仿真模型建仿真模型建立立(又称二次建模又称二次建模)、仿真试验仿真试验物理系统计算机数学模型4三、仿真建模的基本要求仿真的三个基本要素是系统、模型、计算机6.1.2汽汽车数字化仿真数字化仿真实质：是以：是以计算机仿真技算机仿真技术为手段手段,在汽在汽车设计的的全生命周期内全生命周期内(包括包括设计、测试、制造、制造、应用和用和维护的全的全过程程)实施仿真、分析与施仿真、分析与评估。估。目的：尽可能在目的：尽可能在产品品设计阶段段,预测产品在品在设计、制造、制造、应用等用等阶段可能出段可能出现的的问题,进行全局行全局优化化。56.1.2汽车数字化仿真5仿真技术在系统研制中的应用仿真技术在系统研制中的应用阶段阶段应用内容应用内容概念化设计对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的设计方案设计建模建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意设计分析分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标设计优化调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化制造刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题样机试验系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标系统运行调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化6仿真技术在系统研制中的应用阶段应用内容概念化设计对设计方案进数字仿真的工作流程数字仿真的工作流程修改仿真模型修改仿真模型修改程序修改程序仿真程序仿真程序（多次运行（多次运行优化、化、统计）合理？合理？修改系修改系统模型模型处理理结果果分析分析结果果7数字仿真的工作流程建立数学模型建立仿真模型编写仿真程序仿真运传统的汽的汽车数字仿真：数字仿真：将汽将汽车抽象成一集中抽象成一集中质量、量、弹性模型，建立系性模型，建立系统的力学与数学模型，的力学与数学模型，这些模型通常是微分代数方些模型通常是微分代数方程，然后程，然后对方程初方程初值问题的数的数值求解，得到系求解，得到系统的响的响应，确定整，确定整车动力学参数与其性能之力学参数与其性能之间的关的关系。系。局限性：信息量小、局限性：信息量小、误差大、无法确定系差大、无法确定系统结构构或参数与性能之或参数与性能之间的一一的一一对应关系。关系。8传统的汽车数字仿真：86.1.3汽汽车虚虚拟样车技技术指汽指汽车产品品设计开开发过程中，基于其数字化原型，程中，基于其数字化原型，按按实车的拓扑的拓扑结构及其构及其动力学参数，在同一系力学参数，在同一系统中将汽中将汽车各零件部件各零件部件设计和分析技和分析技术融合在融合在计算算机上制造出汽机上制造出汽车产品的整体模型，并品的整体模型，并针对汽汽车在在投入使用后的各种工况投入使用后的各种工况进行仿真分析，行仿真分析，预测其整其整车或系或系统性能，性能，进而改而改进汽汽车零部件的零部件的设计，以，以提高其性能的一种新技提高其性能的一种新技术。96.1.3汽车虚拟样车技术9汽汽车虚虚拟样车仿真技仿真技术的内容：的内容：(1)几何仿真几何仿真 整整车结构的几何特性与装配关系的仿真构的几何特性与装配关系的仿真(2)性能仿真性能仿真 动力学性能和力学性能和动力学特性的仿真力学特性的仿真10汽车虚拟样车仿真技术的内容：10虚虚拟拟样样车车建建模模流流程程11虚拟样车建模流程116.2.1虚虚拟试验的定的定义任何不使用或部分使用任何不使用或部分使用实际硬件来构造硬件来构造试验环境，境，完成完成实际物理物理试验的方法和技的方法和技术都可以称都可以称为虚虚拟试验。也可以也可以简单的定的定义为在虚在虚拟环境中境中进行的行的试验。目的：尽量减少物理目的：尽量减少物理样机机6.2汽车虚拟试验汽车虚拟试验126.2.1虚拟试验的定义6.2汽车虚拟试验126.2.2虚虚拟试验的的优点点(1)可以大幅度可以大幅度减少减少样机制造机制造试验次数次数，缩短短新新产品品试验周期周期，同，同时，降低降低实际试验的的费用用。(2)虚虚拟试验技技术应用与复用与复杂产品的开品的开发中，可以中，可以实现设计者、者、产品用品用户在在设计阶段信息的互反段信息的互反馈，使使设计者全方位吸收、采者全方位吸收、采纳对新新产品的建品的建议。(3)虚虚拟试验技技术代替代替实际试验，实现了了试验不受不受场地、地、时间和次数的限制，可和次数的限制，可对试验过程程进行行回放、回放、再再现和重复和重复。136.2.2虚拟试验的优点136.2.3 VTL与与VPG1.虚虚拟试验室（室（Virtual Test Lab),简称称VTL，是由各，是由各种种软硬件硬件组成的物理成的物理试验台的虚台的虚拟再再现。2.虚虚拟试验场技技术(Virtual Proving Ground),简称称 VPG 技技术，即是一个，即是一个对整整车系系统性能全面仿真性能全面仿真实用用软件的代表。件的代表。VTL和和VPG技技术都是汽都是汽车CAE技技术领域的新代表。域的新代表。146.2.3 VTL与VPG14使用使用VTL的新车开发过程的新车开发过程一、一、VTLVTL虚拟试验室虚拟试验室15使用VTL的新车开发过程一、VTL虚拟试验室15使用使用VTLVTL时的数据流时的数据流16使用VTL时的数据流16VPG汽车虚拟试验场汽车虚拟试验场汽汽车试验场是由各种是由各种试验道路、道路、试验场地、地、试验室室以及各种以及各种辅助建筑等助建筑等组成的成的综合性合性试验设施，用来施，用来确定汽确定汽车的的结构参数构参数及其及其基本使用性能基本使用性能:可靠性、可靠性、耐久性、耐久性、坚固性固性、动力性、制力性、制动性、通性、通过性、操性、操纵性、性、稳定性、行定性、行驶平平顺性、安全性和燃料性、安全性和燃料经济性等性等等。等。由于由于试验场内有些内有些试验路段是模路段是模拟车辆的的实际使用使用工况，使工况，使车辆的零部件所的零部件所产生的典型生的典型损坏性能与坏性能与实际使用使用时的情况基本相同，而且能在很短的的情况基本相同，而且能在很短的试验里里程内即可程内即可获得得试验结果，因此可以大大果，因此可以大大缩短短试验时间，提高，提高试验效率。效率。17VPG汽车虚拟试验场汽车试验场是由各种试验道路、试验场地、试为了了进行汽行汽车试验而建而建设起来的起来的试验场，是一个占地，是一个占地面面积几十平方公里的大型几十平方公里的大型综合性合性试验基地。它包括各种基地。它包括各种车辆实际可能遇到的一切典型使用条件的模可能遇到的一切典型使用条件的模拟设施：施：例如能例如能进行行车速超速超过200km/h的高速的高速环行跑道，能行跑道，能进行各种性能行各种性能测试的道路，能的道路，能进行行强化化试验的各种路面、的各种路面、地面，有各种坡道、滑台、涉水池以及相地面，有各种坡道、滑台、涉水池以及相应的室内的室内试验设备。汽汽车可以在可以在这种种试验场中完成各种性能寿命中完成各种性能寿命试验，虽然然这种种设施耗施耗费巨大，投巨大，投资数以数以亿元元计，但是由于在，但是由于在试验场里能深入研究汽里能深入研究汽车产品的各种性能，品的各种性能，缩短短试验周期，周期，从而提高从而提高试验结果的可比性和果的可比性和试验工作的安全性。工作的安全性。18为了进行汽车试验而建设起来的试验场，是一个占地面积几十平方公VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(1)分析分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括象不再是分开的各个零部件，而是包括车身模身模型、型、悬挂系挂系(弹簧、减振器、簧、减振器、动力控制臂力控制臂)、转向梯形、向梯形、车轮轮胎等整胎等整车非非线性系性系统模型。模型。这样，车身和身和悬挂系挂系统与与转向系向系统间难以明确的作用以明确的作用力关系已包含在分析模型之内。力关系已包含在分析模型之内。19VPG 技术的功能和特点分析对象不再是分开的各个零部件，而是VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(2)分析模型数据分析模型数据库化化计算模型建模工作量很大，但是，除算模型建模工作量很大，但是，除车身模型是身模型是车型型分析分析时必必须建立的模型，建立的模型，悬挂挂结构、构、转向机构和向机构和轮胎胎是完全可以是完全可以实现数据数据库化的。化的。当前当前悬挂数据挂数据库保存有十种保存有十种结构数据构数据库。模型数据。模型数据库还有碰撞有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模算障碍物模型等可供用型等可供用户引用。引用。20VPG 技术的功能和特点(2)分析模型数据库化20VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点模型数据模型数据库举例例21VPG 技术的功能和特点模型数据库举例21VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(3)提供了全面的路面载荷提供了全面的路面载荷VPG软件提供了标准典型的路面模型，是通常整软件提供了标准典型的路面模型，是通常整车试验标准考核路面。例如：交替摆动路面车试验标准考核路面。例如：交替摆动路面(alternate roll)、槽形路、槽形路(pothole tracks)、鹅卵石、鹅卵石路路(cobblestone tracks)、大扭曲路、大扭曲路(body twist lane)、波纹路、波纹路(ripple tracks)、搓板路、搓板路(washboards)以以及比利时石块及比利时石块(belgian block)等。用户可以输入和等。用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用任意三维数据构保存自己的路面数据，也可以用任意三维数据构造特定的路面。造特定的路面。22VPG 技术的功能和特点(3)提供了全面的路面载荷22VPG 技术的功能和特点技术的功能和特点(4)计算技算技术分析内容多分析内容多样化化可以可以进行疲行疲劳寿命寿命计算、振算、振动噪声分析噪声分析计算、算、车辆碰撞碰撞历程仿真、碰撞程仿真、碰撞时乘乘员安全保安全保护等多种等多种结构非构非线性分析。性分析。同同时可以可以进行整行整车非非线性运性运动学和学和动力学力学计算，用算，用来来进行整行整车舒适性、高速行舒适性、高速行驶性能和操性能和操纵稳定性研定性研究。究。国内目前有交通部公路交通国内目前有交通部公路交通试验场、襄樊汽、襄樊汽车试验场和定和定远国家国家试验场等。等。23VPG 技术的功能和特点(4)计算技术分析内容多样化23襄樊汽车试验场全景图襄樊汽车试验场全景图24襄樊汽车试验场全景图246.3.1汽汽车碰撞安全仿真的研究内容碰撞安全仿真的研究内容试验从以下五个方面来从以下五个方面来进行：行：1）正面碰撞）正面碰撞2）后部碰撞）后部碰撞3）侧面碰撞面碰撞4）顶部部压垮5）侧门强度度6.3汽车碰撞安全仿真汽车碰撞安全仿真256.3.1汽车碰撞安全仿真的研究内容6.3汽车碰撞安全仿真2试验的要研究的内容：的要研究的内容：1）车身身结构的耐撞性研究构的耐撞性研究2）碰撞生物力学研究）碰撞生物力学研究3）乘）乘员约束系束系统研究研究4）安全内部）安全内部饰件研究件研究26试验的要研究的内容：266.3.2汽汽车碰撞安全仿真的一般碰撞安全仿真的一般过程程第一步写出第一步写出显式有限元方程；式有限元方程；第二步根据第二步根据显式有限元方程建立汽式有限元方程建立汽车整整车有限元模有限元模型；型；第三步安置正面碰撞假人模型；第三步安置正面碰撞假人模型；第四步第四步进行各种状况的碰撞安全仿真行各种状况的碰撞安全仿真276.3.2汽车碰撞安全仿真的一般过程27汽汽车碰撞安全仿真的碰撞安全仿真的发展展趋势：1）提高仿真运算速度，它是汽）提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技碰撞仿真技术发展的核心；展的核心；2）发展新的人体模型模展新的人体模型模拟技技术；3）寻求接触搜求接触搜寻新算法；新算法；4）研究降解）研究降解积分新技分新技术；5）子循）子循环技技术。28汽车碰撞安全仿真的发展趋势：286.4.1控制器控制器“V”字形开字形开发模式模式开开发阶段和段和过程：程：1）功能描述及）功能描述及设计2）原型）原型设计3）产品品级代代码生成生成4）系）系统测试及及检验5）系）系统整合整合6.4汽车主动安全系统开发汽车主动安全系统开发296.4.1控制器“V”字形开发模式6.4汽车主动安全系统开发“V”形开发模式30“V”形开发模式301）先）先进汽汽车主主动安全控制技安全控制技术2）智能乘）智能乘员约束技束技术3）汽）汽车侧面碰撞保面碰撞保护技技术4）行人碰撞保）行人碰撞保护技技术5）儿童乘）儿童乘员保保护技技术6）汽）汽车防撞防撞预警系警系统7）疲）疲劳驾驶预警系警系统6.4.26.4.2汽车安全新技术汽车安全新技术311）先进汽车主动安全控制技术6.4.2汽车安全新技术311）先）先进汽汽车主主动安全控制技安全控制技术主主动安全性是指汽安全性是指汽车避免避免发生意外事故的能力。生意外事故的能力。主主动安全性包括安全性包括行行驶安全性、安全性、环境安全性、感境安全性、感觉安全性和操作安全性安全性和操作安全性。汽汽车的行的行驶安全性是指汽安全性是指汽车的装的装备保保证汽汽车运行运行安全，同安全，同时具有最佳的具有最佳的动态性能的能力，也就是性能的能力，也就是通常通常说的良好的的良好的制制动性能、操性能、操纵稳定性、定性、动力性力性和通和通过性性。321）先进汽车主动安全控制技术32电子稳定程序电子稳定程序ESP(b)在急转弯车道上高速行在急转弯车道上高速行驶时运动工况驶时运动工况(c)在地面附着力不同的路面装在地面附着力不同的路面装备与未装备备与未装备ESP车辆行驶效果车辆行驶效果对比对比(a)躲避前方突然出现障碍物运动工况躲避前方突然出现障碍物运动工况ESP典型工作工况典型工作工况33电子稳定程序ESP(b)在急转弯车道上高速行(c)在地面附着2）智能乘）智能乘员约束技束技术智能安全气囊智能安全气囊气囊式安全气囊式安全带乘乘员头颈保保护系系统342）智能乘员约束技术34气囊式安全带气囊式安全带气囊式安全带气囊式安全带结合传统的安全带和结合传统的安全带和安全气囊技术，在汽车碰撞时，安安全气囊技术，在汽车碰撞时，安全带在乘员躯干和肩膀处展开成气全带在乘员躯干和肩膀处展开成气囊。囊。35气囊式安全带气囊式安全带结合传统的安全带和安全气囊技术，在汽3）汽）汽车侧面碰撞保面碰撞保护技技术侧面安全气囊和气帘侧面安全气囊和气帘 奔奔驰侧面安全气帘面安全气帘 乘乘员之之间独特的安全气囊独特的安全气囊363）汽车侧面碰撞保护技术侧面安全气囊和气帘 奔驰侧面安4）行人碰撞保护技术）行人碰撞保护技术智能安全保障系统智能安全保障系统发动机盖弹升技术发动机盖弹升技术行人安全气囊系统行人安全气囊系统374）行人碰撞保护技术37带全力自动刹车的行人探测系统带全力自动刹车的行人探测系统38带全力自动刹车的行人探测系统38发动机盖弹升技术发动机盖弹升技术加速度传感器检测撞到行人加速度传感器检测撞到行人ECU收到信号，进行判断，若收到信号，进行判断，若速度超过速度超过25km/h以上，则发出点以上，则发出点火命令火命令发动机盖弹起发动机盖弹起39发动机盖弹升技术加速度传感器检测撞到行人ECU收到信行人安全气囊系统行人安全气囊系统40行人安全气囊系统405 5）儿童乘员保护技术）儿童乘员保护技术BMW婴儿座椅 BMW儿童座椅（小）BMW儿童座椅（大）415）儿童乘员保护技术BMW婴儿座椅 BMW儿童座椅（小）BM6 6）汽车防撞预警系统）汽车防撞预警系统通过雷达、超声波、激光、红外线等检测通过雷达、超声波、激光、红外线等检测手段，测定汽车与障碍物的距离。电脑根手段，测定汽车与障碍物的距离。电脑根据事先储存的程序，判断出有碰撞的危险据事先储存的程序，判断出有碰撞的危险时，向驾驶员发出警报。如果驾驶员未能时，向驾驶员发出警报。如果驾驶员未能及时采取措施，则向制动器、转向器等发及时采取措施，则向制动器、转向器等发出指令，使制动器制动，或使转向器转弯，出指令，使制动器制动，或使转向器转弯，以保证汽车的安全。以保证汽车的安全。426）汽车防撞预警系统通过雷达、超声波、激光、红外线等检测手段4343倒车雷达倒车雷达44倒车雷达44利用多种利用多种传感器，如感器，如图像、激光雷达、像、激光雷达、压力、角力、角位移位移传感器等，感器等，对上述典型疲上述典型疲劳特征信息特征信息进行行实时采集和采集和处理，运用各种信号理，运用各种信号处理方法提取和理方法提取和识别驾驶疲疲劳特征信息，特征信息，应用多用多传感器信息融合理感器信息融合理论，对互互补或冗余的疲或冗余的疲劳特征信息特征信息进行有机融合，行有机融合，进而建立疲而建立疲劳驾驶智能决策模型智能决策模型对驾驶员是否疲是否疲劳驾驶进行准确可靠判断，最后行准确可靠判断，最后输出出报警模警模块可可将将检测结果果实时显示，并通示，并通过声光声光报警装置提醒警装置提醒驾驶员注意行注意行车安全。安全。7 7）疲劳驾驶预警系统）疲劳驾驶预警系统45利用多种传感器，如图像、激光雷达、压力、角位移传感器等，对上心跳速度心跳速度检测仪：人在打瞌睡之前，心跳速度下降。：人在打瞌睡之前，心跳速度下降。头部位置部位置检测仪：通：通过监视驾驶员在行在行驶过程中程中头部的位移情况来判断其是否在打瞌睡。部的位移情况来判断其是否在打瞌睡。PERCLOS系系统：通：通过分析眼睛的大小和位置，利分析眼睛的大小和位置，利用用视网膜网膜对不同波不同波长红外光反射能力的不同。外光反射能力的不同。FaceLAB系系统：通：通过检测驾驶员头部姿部姿态、眼、眼睑运运动、凝、凝视方向、瞳孔直径等特征参量，方向、瞳孔直径等特征参量，进行多特征行多特征信息融合，信息融合，实现对驾驶员疲疲劳状状态的的实时监测。转向向盘监测系系统及及车道偏离道偏离报警系警系统DAS2000等。等。46心跳速度检测仪：人在打瞌睡之前，心跳速度下降。46
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