汽车仿真技术-彤

一 仿真简介 1 1 仿真的概念 仿真是以相似性原理 控制论 信息技术及相关领域的有关知识为基础 以计算机和各种专用物理设备为工具 借助系统模型对真实系统进行试验研究 的一门综合性技术 计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中 包 括方案论证 技术指标确定 设计分析 生产制造 试验测试 维护训练 故 障处理等各个阶段 如训练飞行员 宇航员仿真工作台和仿真机舱等 1 2 仿真三要素 系统 研究的对象 模型 系统的抽象 和计算机 工具与手段 联系着他 们的三项基本活动是模型建立 仿真模型建立 又称二次建模 和仿真试验 二 汽车仿真力学角度分析 在现代汽车企业的竞争中 产品的质量 成本和投放市场的周期是最核心 竞争力的体现 汽车仿真技术在汽车开发中的作用也主要体现在这 3 个方面 汽车仿真分析从力学角度来分主要有 整车疲劳寿命分析 整车系统动力学分 析 整车系统 NVH 分析 碰撞模拟和乘员保护 汽车外流场的空气动力学分析 等 2 1 疲劳寿命分析 结构的疲劳破坏是其主要的失效形式 因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是 其强度和可靠性研究的主要内容之一 汽车疲劳寿命分析主要研究汽车整车及 各部件的动 静疲劳寿命 它有以下 4 种分析方法 1 根据 S N 曲线进行总寿命评价分析是最传统的总寿命分析方法 这种方 法对裂纹的产生和扩展不加以明确区分 能够预测到有较大的损伤和破坏后的 总寿命 当然 这种方法也能够对材料在一系列循环载荷作用下各部位的损伤 度 剩余寿命进行评价 2 根据 E N 曲线进行萌生寿命分析是所谓的裂纹萌生分析法 它根据关键 点的应变来预测疲劳寿命 这个方法一般用于对整个结构的安全可能造成致命 危险的高应变区域 3 根据线弹性破坏力学进行裂纹扩展分析是一种建立在线弹性破坏力学 LEFM 理论基础上的预测裂纹扩展的方法 一般适用于结构的损伤容限设计 4 疲劳寿命灵敏度分析及优化可对不同材料 焊接类型 载荷大小 各种 修正法 耐久性可靠度 表面加工处理 残余应力 应力集中等设计因素进行 灵敏度分析及优化设计 通常 一个疲劳分析可分为 4 个阶段 材料特性 构件疲劳试验 载荷历 史确定和分析方法 分析方法把前 3 个测量阶段组合起来并得出寿命预计 第 5 个阶段可以对构件寿命预计与测量的疲劳寿命值进行此较 2 2 系统动力学分析 汽车系统动力学分析主要研究汽车的行驶性 操纵性等 通常采用多体 多 刚体 多柔体 系统动力学分析方法 在研究过程中需要处理如下基本问题 1 坐标系选择问题 相对坐标法是目前常用的方法 它的特点是每个体上 固结一个局部坐标系 绝对坐标法则用统一的坐标系表示整个系统的状态 它 的计算效率低 较少采用 2 柔性体离散化问题 柔性体本质上是无限自由度系统 为适应计算机数 值计算的要求 必须对柔性体进行离散化 常用方法有 假设模态法 有限段 方法 有限元方法等 有限元法与模态分析相结合是常用的方法 该方法将系 统的物理坐标变换为模态坐标 从而大大降低了系统的自由度数目 3 建模方法选择问题 建模方法主要有 Newton Euler N E 方程 矢量力 学方程 可对隔离体建立动力学方程 Lagrange 方程 分析力学方程 它从 系统的能量角度入手建立动力学方程 Kane 方程 它兼有矢量力学和分析力学 的特点 各种动力学原理与方程具有等效性 通常采用有限元 假设模态 校 正模态 奇异扰动等方法获得柔性体动力学有限维逼近的坐标基 联同关节变 量作为广义坐标 通过 Lagrange 方程或变分原理导出动力学方程组 4 动力学方程数值算法问题 多体系统动力学方程的系数矩阵为高度非线 性 其初始条件或参数的微小变化或因计算误差的积累都有可能导致仿真结果 的较大偏差甚至发散 针对上述问题的理论研究至今进展不大 目前人们在仿 真时还都是采用传统的数值积分方法 如 四阶 Runge Kutta 法 Gear 法 Newmark 法等 2 3 NVH 分析 汽车 NVH 分析的方法主要有 1 多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统 转向传动系统低频范围 的建模与分析 2 有限元方法 一方面 适用于车身结构振动 车室内部空腔噪声的建模 分析 另一方面 与多体系统动力学方法结合来分析汽车底盘系统的动力学特 性 效率能大大提高 常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而 来的里兹法和伽辽金法 最小二乘法等 3 边界元方法与有限元方法相比 能方便地处理无界区域问题 但计算速 度较慢 此法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点 它与有限元方 法都较适合于中 低频范围 4 统计能量分析方法对于中 高频 300Hz 以上 的汽车 NVH 特性预测 如 果采用 FEM 建立模型 将大大增加工作量而且准确度并不高 此时采用 SAE 方 法是比较合理的 统计能量分析方法可快速 准确地模拟中高频段声学特性 2 4 碰撞模拟和乘员保护 汽车碰撞安全标准中包含 5 个方面的内容 即 前撞 后撞 侧撞 顶部 压垮和侧门强度 汽车碰撞仿真主要进行车身结构的耐撞性研究 碰撞生物力 学研究和乘员约束系统及安全内饰件研究 车身结构的耐撞性主要研究汽车 特别是轿车车身对碰撞能量的吸收特性 寻求改善车身结构抗撞性的方法 在保证乘员安全空间的前提下 使车身变形 的碰撞能量最大 从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小 目前 车身 结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和计算机仿真相结合的方法 仿真汽车结 构模型包括 完整的白车身 包括前后风窗 保险杠系统 包括低速吸能系统 门 带玻璃 发动机 传动系统和固定零部件 排放系统 悬挂系统 轮胎模 型等 碰撞生物力学主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理 人体各部位 的伤害极限 人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及碰撞实验用人体替代 物 仿真模型包括各种百分位的假人模型和一系列撞击器模型 如头部 腿部 及胸部撞击器模型等 乘员约束系统及安全内饰件研究目的是尽量避免人体与 内饰件发生二次碰撞 内饰件的研究则是使人体与之发生二次碰撞时 对人体 造成的伤害最小 乘员约束系统包括驾驶员座椅系统 假人模型 安全带 安全气囊等 假 人模型必须经过标定 安全带是乘员保护系统中最早采用的装备 其设计宗旨 是在车辆发生前撞及翻滚时约束人体相对车辆的运动 对保护乘员有显著效果 安全气囊是另一种常见的乘员保护设备 它与安全带的合理匹配可对乘员进行 有效保护 安全座椅 吸能式方向盘 软化的内饰件等对于缓冲二次碰撞以减 少对人体的冲击具有重要作用 乘员损伤评估标准主要包括 头部和胸部的加 速度 脚踏板的前移量用来评价膝盖的损伤 目前 碰撞仿真分析方法主要有有限元方法 多体系统动力学方法和机械 振动学方法 有限元法的优点在于能真实描述结构的变形 适用于建立汽车结 构模型以及人体局部结构的生物力学模型 显式有限元方法为汽车碰撞仿真最 常用的有限元方法 多刚体系统动力学方法的突出优点是模型简单 表述规范 编程方便 运 算快捷 机械振动学方法可以弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的 不足 它是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧 质量振动系统 通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性 利用机械振 动学的方法来求解碰撞系统响应的 程序短小 简明 能够考虑变形体的弹塑 性变形特性是该方法的基本优点 而且从理论上说 它与多刚体系统动力学方 法的有机结合 能够解决汽车碰撞分析中几乎所有的响应问题 但由于抗力元 件的非线性特性必须预先测定 同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实 碰撞中的力 变形特性 这样 在测试时 就必须精心模拟构件在碰撞中可能出 现的各种可能的约束条件 而汽车碰撞中的有些接触约束条件事先是无法知道 的 这就大大增加了测试的难度 近年来汽车碰撞仿真技术的发展方向是 提高仿真运算速度 它是汽车碰 撞仿真技术发展的核心 发展新的人体模型模拟技术 寻求接触搜寻新算法 研究降阶积分新技术 2 5 汽车外流场空气动力学分析 当车速小于 350km h 时 流体的压缩性可忽略 描述汽车流场的流体动力 学基本方程组为三维 不可压缩 非定常 N S 方程组 可用线性或非线性方法 进行求解 有限差分法 FDM 有限元法 FEM 和有限体积法 FVM 为求解非线性 Euler 和 N S 方程组的 3 种主要数值格式 FM 是一种介于 FDM 和 FEM 之间的离散方法 兼有两者的优点 在汽车空气动力学数值仿真中得到了广泛应用 近年来汽车外流场空气动力学分析主要发展方向是 PFV 方法在该领域的 应用 采用神经网络方法或计算流体动力学 CFD 方法进行汽车高速行驶时的气 动噪声分析 分析汽车高速行驶时空气流场对操纵稳定性的影响 三 结构仿真分析在汽车上的应用 现代设计理论和方法 特别是其中的计算机辅助分析技术的运用使汽车结 构的分析水平有了质的飞跃 有限元法问世以来很快就在车辆系统设计领域得 到了应用 结构仿真分析已经涵盖了从小到橡胶垫片 大到整车的所有重要系 统和零部件 应用以数值分析为核心的计算方法和程序 汽车的 CAE 能够完成静力分析 振动噪声分析 流体动力学分析 机构动力学分析和虚拟样机 可靠性分析 安全性分析 结构优化设计等产品设计的重要工作环节 对于较为传统的有限 元分析内容 即结构静力强度分析 温度场分析 较为简单的流场分析 振动 分析 发达国家的应用技术已经十分成熟 除有限元以外 其它数值分析方法 也得到了不同程度的应用 相对来讲没有达到有限元法理论 方法和应用工具 的成熟程度 80 年代后 国外普遍用有限元法进行复杂工程问题的分析 尤其 是零部件静力结构分析已经十分普及 有代表性的国外著名研究机构和公司如 奥地利 AVL 英国 Ricardo 美国的 SWRI U S ATAC GM Ford Cummins 日 本的 Nissan Toyota Honda 德国的 Benz Deutz Volkswagen 3 1 静力刚强度仿真分析 结构强度分析是汽车结构功能及可靠性设计中所关心的最基本问题 因此 结构静力计算机数值分析是最早开始进人工程应用的内容 也是目前最为成 熟的仿真应用领域之一 国外用有限元法对汽车中复杂结构件进行强度分析始于 70 年代 初期只 是针对结构及力学模型较为简单的零件进行分析 分析规模较小 早期的汽车 零部件结构分析受计算工具的限制 一般分析对象结构简单 采用简化的模型 一般用来计算平面应力和轴对称等二维模型问题 像连杆 活塞等 有限元 模型采用 试验一计算 结果对比的模式进行多次试算 分析计算结果可信度 低 这些早期的工作为基于数值仿真的结构分析的进一步发展进行了有益的探 索 由于有限元法中的一般均匀材料实体单元应用于静力分析的理论和程序已 经相当成熟 因此工程应用中有限元分析主要关心的问题是模型建立的合理性 与易用性 其中 复杂结构的有限元网格生成方法 网格质量检查方法和准则 自适应网格修正是分析几何模型的核心问题 边界描述的可表达性 边界条 件施加的精确性是模型力学条件的核心问题 随着商品化软件的发展和汽车结构分析经验的不断积累 对零部件的静力 分析已经成为十分成熟的手段 在应用方法上值得研究的主要是复杂非线性 复杂组合结构 多物理场耦合效应等静力分析 国内应用有限元法进行动力装置结构静力分析始于 80 年代 对于典型复 杂零件如柴油机缸盖 柴油机机体等进行了结构分析 从 80 年代后期开始 对零件的有限元静力分析成为高校和研究所重视的普及技术 90 年代中期成为 产品设计中的普遍采用的手段 国内外对军用车辆动力 传动系主要零部件的结构强度分析进行了大量的 研究 国内有北京理工大学 吉林工业大学 北方车辆研究所等单位较早地开 展了车辆零部件结构静力刚强度的研究工作 涉及到几乎所有的主要零部件 3 2 结构动态特性仿真分析 车辆动力传动系统是一个典型的复杂动态机械系统 其振动形态复杂 振 源多种多样 需要研究的领域广 从 70 年代后期开始 国外将基于有限元分析的计算机动力学仿真应用于 该领域 其中动响应分析是研究的热点之一 基于动力学性能预测是进行结构 动态设计的基本条件 对于汽车总体方案或零部件设计中提高整体性能起到十 分重要的作用 这些研究包括轴系振动特性研究 箱体类模态及动力响应 叶 片类动响应性质 复杂总体结构动力学特性等 零部件的动态特性研究在计算方法 计算精度图 3 戴姆勒 克莱斯勒公司 用于振动分析的动力总成模型等方面的研究上取得了很大进步 主要表现在 1 多学科 多种数值求解方法的综合应用 如振动与噪声分析 基于动响应的 疲劳可靠性分析 以及轴承润滑分析等等 其领域涉及位移应力场 声场 流 场等的耦合作用 采用的数值分析方法包括有限元法 有限差分法 边界元法 多体系统仿真等 2 注重新方法和规范分析流程并不断完善 国内从 80 年代中期开始进行汽车主要零部件的结构动力学特性研究 早 期典型研究是吉林工业大学 1985 年用有限元法对发动机机体进行自由模态分 析并由计算的振型进行结构设计修改 90 年代以来国内在汽车结构的特性研究 中的研究文献较多 如有基于零部件结构的模态分析和瞬态响应分析 基于总 体的动态特性分析 90 年代后期以来 在汽车结构模态和动力响应分析方面取 得很大发展 如北京理工大学在基于总体结构的振动与噪声分析方面进行了一 系列研究 图 4 为对某型号的动力传动组合结构进行的模态分析 3 3 仿真工具软件 目前 能够支持车辆系统结构仿真的商业化软件多种多样 许多软件已经 达到很完善的程度 结构强度分析类软件主要有 NASTRAN ANSYSABAQUS MARC PATRAN DYNA3D 等 机械系统多体动力学仿真类软件主要有 ADAMS SIMPAC K DADS 等 通用机械 CAD CAE 软件主要有 I DEAS UG PRO ENGINEER CATI A 等 另外 世界上各大汽车公司也都纷纷开发出了自己的车辆系统仿真工具 如 Ford 公司的 DYN MOD GM 公司的 GPSIM 和 DRIVESIM Caterpillar 公司的 E NTERPRISE 等 这些公司利用这些仿真工具加速了产品的研发 国内车辆系统方面的仿真工具的开发与国外差距很大 基本上是应用国外 先进的软件 根据本领域的研究需要 进行一定程度的二次开发 尚没有较为 理想的应用软件系统 四 汽车仿真技术展望 汽车结构仿真分析模型由线性模型发展到非线性 由简单的静态分析发展 到动态分析 由某一单独零件或零件的某一局部发展到整体组合结构的分析 由单一物理场发展到多个物理场耦合分析 仿真分析的精度也在不断提高 从所考虑工况的角度看 对车辆主要零部件结构分析逐渐由单一的产品工 作状况分析变为考虑制造 装配等工艺参数的产品全生命周期的分析 以往基 于数值分析结果的结构强度分析 主要是进行结构可行性进行评价为主导 现 在的发展趋势是以对结构疲劳寿命预测为主导 此外 随着 CAD CAE 集成软件发展和优化理论的进一步实用化 依赖先进 前处理技术和高配置硬件设备 汽车上复杂零部件的数值仿真分析开始逐步应 用于结构优化设计 结 论 综上所述 汽车仿真技术的力学问题是一个重要的研究领域 了解它们的 研究内容 分析方法 现状及发展趋势有利于我们更好地把握这一领域 从而 更好地为汽车的发展服务 由于仿真技术的引入 汽车的研究与开发方法和流程发生了革命性的变化 伴随着这一技术的继续深入发展 汽车产品的研究与开发终将成为一项系统 的并行工程 每一位汽车技术工作者都将面临这一机遇和挑战