1、10.1 概述概述10.2 虛擬試驗在汽車工程領域的應用虛擬試驗在汽車工程領域的應用第第10章章 汽車虛擬試驗技術汽車虛擬試驗技術 虛擬試驗技術是一種先進的計算機試驗仿真技術，虛擬試驗技術是一種先進的計算機試驗仿真技術，利用它可以在虛擬試驗環境下，借助交互式技術利用它可以在虛擬試驗環境下，借助交互式技術和試驗分析技術，使設計者在汽車設計階段就能和試驗分析技術，使設計者在汽車設計階段就能對產品的性能進行評價或試驗驗證。對產品的性能進行評價或試驗驗證。 從廣義上講，虛擬試驗是指任何不使用或部分使從廣義上講，虛擬試驗是指任何不使用或部分使用實際硬件來構成試驗環境，完成實際物理試驗用實際硬件來構成試驗

2、環境，完成實際物理試驗的方法和技術。的方法和技術。 虛擬試驗是在計算機上采用軟件代替部分或全部虛擬試驗是在計算機上采用軟件代替部分或全部硬件實現各種虛擬試驗環境，使試驗者如同在真硬件實現各種虛擬試驗環境，使試驗者如同在真實的環境中一樣完成各種預訂試驗項目，取得接實的環境中一樣完成各種預訂試驗項目，取得接近或等價于真實試驗的數據結果。近或等價于真實試驗的數據結果。 虛擬試驗系統包括軟件型和硬件在環型兩種。虛擬試驗系統包括軟件型和硬件在環型兩種。 純軟件型系統將試驗環境、對象全部抽象為數學模型，把純軟件型系統將試驗環境、對象全部抽象為數學模型，把抽象的數學模型和軟件技術作為側重點，僅利用軟件完成抽

3、象的數學模型和軟件技術作為側重點，僅利用軟件完成整個系統的仿真。整個系統的仿真。 硬件在環型是在計算機軟硬件技術發展到一定階段之后才硬件在環型是在計算機軟硬件技術發展到一定階段之后才出現的一種集多種技術于一體的綜合系統，是指將硬件實出現的一種集多種技術于一體的綜合系統，是指將硬件實物嵌入仿真系統的實時動態仿真技術，需要同時完成大量物嵌入仿真系統的實時動態仿真技術，需要同時完成大量運算、數據處理和執行多任務。運算、數據處理和執行多任務。（1 1）試驗成本低試驗成本低（2 2）試驗可重復試驗可重復（3 3）試驗安全可靠試驗安全可靠（4 4）試驗可控性好試驗可控性好（5 5）信息量大而豐富信息量大而

4、豐富1.Adams1.Adams軟件軟件 AdamsAdams即機械系統動力學自動分析。即機械系統動力學自動分析。 除用于機械系統靜力學、運動學和動力學分析外，除用于機械系統靜力學、運動學和動力學分析外，還可作為虛擬樣機分析的二次開發平臺，供用戶進還可作為虛擬樣機分析的二次開發平臺，供用戶進行特殊功能樣機的開發。行特殊功能樣機的開發。 軟件提供零件庫、約束庫和力庫等建模模塊，將拉軟件提供零件庫、約束庫和力庫等建模模塊，將拉格朗日乘子法作為其求解器，由基本模塊、接口模格朗日乘子法作為其求解器，由基本模塊、接口模塊、擴展模塊、專業領域模塊和工具箱組成。塊、擴展模塊、專業領域模塊和工具箱組成。2.

5、2. MatlabMatlab軟件軟件 MatlabMatlab用于數值分析、矩陣計算、算法開發、數據分析、用于數值分析、矩陣計算、算法開發、數據分析、非線性動態系統的建模與仿真等非線性動態系統的建模與仿真等，主要包括主要包括MatlabMatlab和和SimulinkSimulink兩大部分。兩大部分。 主要應用主要應用：工程計算；數學、統計與優化；測試與測量；工程計算；數學、統計與優化；測試與測量；圖像與聲音處理；信號檢測、處理與通信；控制系統設計圖像與聲音處理；信號檢測、處理與通信；控制系統設計與分析；模型預測和金融分析等領域。與分析；模型預測和金融分析等領域。 SimulinkSimu

6、link模塊是模塊是MatlabMatlab軟件的擴展，能實現系統可視化建模、軟件的擴展，能實現系統可視化建模、動態仿真和分析動態仿真和分析。3. Advisor3. Advisor軟件軟件 AdvisorAdvisor即高級車輛仿真器（即高級車輛仿真器（Advanced Vehicle SimulatorAdvanced Vehicle Simulator），），由美國能源部（由美國能源部（DOEDOE）為管理混合動力驅動系統開發，）為管理混合動力驅動系統開發，基于基于Matlab/SimulinkMatlab/Simulink環境環境運行。運行。 可用于分析傳統汽車、純電動汽車和混合動力汽

7、車的動力可用于分析傳統汽車、純電動汽車和混合動力汽車的動力性、燃油經濟性以及排放性等性能。性、燃油經濟性以及排放性等性能。 提供整車、離合器、發動機、變速器、主減速器、車軸、提供整車、離合器、發動機、變速器、主減速器、車軸、車輪、變速器、道路循環和機械負載等模塊。車輪、變速器、道路循環和機械負載等模塊。4. Cruise4. Cruise軟件軟件 CruiseCruise軟件采用模塊化的建模方法，可以搭建和仿真任何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。一種配置的汽車系統。 可用于汽車開發過程中的動力系統、控制系統、傳動系統、可用于汽車開發過程中的動力系統、控制系統、傳

8、動系統、排放系統開發，汽車性能預測、整車仿真計算以及控制參排放系統開發，汽車性能預測、整車仿真計算以及控制參數和駕駛性能的優化；可實現發動機、輪胎、電動機、變數和駕駛性能的優化；可實現發動機、輪胎、電動機、變速箱等部件的選型及其與車輛的匹配優化。速箱等部件的選型及其與車輛的匹配優化。 與與Matlab/SimulinkMatlab/Simulink模塊有接口，可以實現聯合仿真。模塊有接口，可以實現聯合仿真。5. 5. MSC.FatigueMSC.Fatigue軟件軟件 MSC.FatigueMSC.Fatigue是由是由NcodeNcode和和MSCMSC公司合作開發的疲公司合作開發的疲勞壽

9、命有限元分析軟件勞壽命有限元分析軟件，在產品生產制造之前進在產品生產制造之前進行疲勞壽命分析，可極大地降低生產原型機和進行疲勞壽命分析，可極大地降低生產原型機和進行疲勞壽命測試所帶來的巨額費用行疲勞壽命測試所帶來的巨額費用。 可用于結構的初始裂紋分析、裂紋擴展分析、振可用于結構的初始裂紋分析、裂紋擴展分析、振動疲勞分析、電焊疲勞分析、疲勞優化設計、多動疲勞分析、電焊疲勞分析、疲勞優化設計、多軸疲勞分析和應力壽命分析等軸疲勞分析和應力壽命分析等。6. 6. nSoftnSoft軟件軟件 nSoftnSoft是由是由nCodenCode公司開發的一套專門為解決工程公司開發的一套專門為解決工程系統疲

10、勞問題的軟件，主要由數據分析、數據顯系統疲勞問題的軟件，主要由數據分析、數據顯示、疲勞分析等模塊組成，其功能涵蓋了數據采示、疲勞分析等模塊組成，其功能涵蓋了數據采集、疲勞分析以及實驗室疲勞模擬三個工程疲勞集、疲勞分析以及實驗室疲勞模擬三個工程疲勞設計的主要領域。設計的主要領域。 主要應用于汽車、鐵路、能源、國防等工業領域。主要應用于汽車、鐵路、能源、國防等工業領域。10.2.1 10.2.1 汽車主要使用性能虛擬試驗汽車主要使用性能虛擬試驗10.2.2 10.2.2 碰撞安全性虛擬試驗碰撞安全性虛擬試驗10.2.3 10.2.3 汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗1. 1.動

11、力性與經濟性虛擬試驗動力性與經濟性虛擬試驗 汽車的動力性和燃油經濟性對汽車的運輸效率汽車的動力性和燃油經濟性對汽車的運輸效率和運輸成本具有直接的影響。傳統試驗方法受和運輸成本具有直接的影響。傳統試驗方法受外界因素影響較大。外界因素影響較大。 采用虛擬試驗技術，具有使用方便、快捷、重采用虛擬試驗技術，具有使用方便、快捷、重復性強等優點，能消除實車試驗中駕駛員、氣復性強等優點，能消除實車試驗中駕駛員、氣候條件和道路環境等外界因素對試驗的影響。候條件和道路環境等外界因素對試驗的影響。1. 1.動力性與經濟性虛擬試驗動力性與經濟性虛擬試驗 基于基于CruiseCruise軟件的動力性與經濟性虛擬試驗步

12、驟軟件的動力性與經濟性虛擬試驗步驟：（1 1）整車仿真模型的建立整車仿真模型的建立：結構模型的建立結構模型的建立各模塊參數的輸入各模塊參數的輸入仿真計算模式的選擇仿真計算模式的選擇（2 2）動力性與經濟性虛擬試驗實現動力性與經濟性虛擬試驗實現（3 3）試驗驗證試驗驗證2. 2.制動性虛擬試驗制動性虛擬試驗 目前，汽車制動性能虛擬試驗主要是由目前，汽車制動性能虛擬試驗主要是由AdamsAdams軟件軟件和和MatlabMatlab軟件聯合仿真來實現。軟件聯合仿真來實現。 通常在通常在Adams/ViewAdams/View模塊或在模塊或在Adams/CarAdams/Car模塊中建立模塊中建立多

13、自由度的整車仿真模型，在多自由度的整車仿真模型，在Matlab/SimulinkMatlab/Simulink模塊模塊中建立防抱死制動系統中建立防抱死制動系統ABSABS的控制模型，然后將的控制模型，然后將ABSABS控制模型的仿真數據文件導入到控制模型的仿真數據文件導入到AdamsAdams軟件中軟件中進行整車多體系統動力學仿真。進行整車多體系統動力學仿真。2. 2.制動性虛擬試驗制動性虛擬試驗 基于基于CruiseCruise軟件的動力性與經濟性虛擬試驗步驟軟件的動力性與經濟性虛擬試驗步驟：（1 1）整車仿真模型的建立整車仿真模型的建立（2 2）制動性能虛擬試驗實現制動性能虛擬試驗實現：

14、直線制動和轉彎制動虛擬試驗直線制動和轉彎制動虛擬試驗 防抱死制動系統（防抱死制動系統（ABSABS）虛擬試驗）虛擬試驗（3 3）試驗驗證試驗驗證3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗 汽車操縱穩定性虛擬試驗是用汽車動力學分析汽車操縱穩定性虛擬試驗是用汽車動力學分析數據驅動虛擬環境中的汽車模型，將其在試驗數據驅動虛擬環境中的汽車模型，將其在試驗過程中各種狀態變化映射到計算機屏幕上，借過程中各種狀態變化映射到計算機屏幕上，借助于虛擬現實技術的交互手段，使研究人員產助于虛擬現實技術的交互手段，使研究人員產生生“身臨其境身臨其境”的感覺，體驗車輛在各種工況的感覺，體驗車輛在各種工況下的性能，并

15、對其進行評價。下的性能，并對其進行評價。3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗（1 1）操縱穩定性虛擬試驗系統的構成操縱穩定性虛擬試驗系統的構成汽車操縱穩定性虛擬試驗系統流程汽車操縱穩定性虛擬試驗系統流程3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗（2 2）汽車動力學模型汽車動力學模型 是虛擬試驗系統中的關鍵部分是虛擬試驗系統中的關鍵部分，要考慮盡可能多的自要考慮盡可能多的自由度建立整車模型。由度建立整車模型。 可利用多體系統動力學軟件可利用多體系統動力學軟件Adams/CarAdams/Car，采用參數化，采用參數化建模方法建立汽車操縱穩定性的動力學模型。將整車建模方法建立汽車操縱

16、穩定性的動力學模型。將整車分為分為多個子多個子模塊分別建立虛擬樣機模型，再將模塊分別建立虛擬樣機模型，再將其其裝配裝配成整車模型，建立整車動力學分析模型。成整車模型，建立整車動力學分析模型。3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗（3 3）汽車實體模型汽車實體模型 實體結構建模就是賦予汽車模型三維實體結構、實體結構建模就是賦予汽車模型三維實體結構、材質、顏色等外觀特征。材質、顏色等外觀特征。 采用采用3DMax3DMax或其他或其他CADCAD軟件建立汽車整車和部件軟件建立汽車整車和部件的三維實體模型。的三維實體模型。3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗（4 4）虛擬試驗場模型

17、虛擬試驗場模型 虛擬試驗場是與用戶最直接的接觸部分。虛擬試驗場是與用戶最直接的接觸部分。 對場景進行光照、霧化、紋理映射等描述，可以對場景進行光照、霧化、紋理映射等描述，可以形成較好的視覺感受。形成較好的視覺感受。 虛擬場景主要包括兩部分：一是虛擬汽車模型；虛擬場景主要包括兩部分：一是虛擬汽車模型；二是路面模型。二是路面模型。3. 3.操縱穩定性虛擬試驗操縱穩定性虛擬試驗（5 5）汽車操縱穩定性虛擬試驗汽車操縱穩定性虛擬試驗汽車操縱穩定性虛擬試驗基本原理及數據映射流程汽車操縱穩定性虛擬試驗基本原理及數據映射流程4. 4.平順性虛擬試驗平順性虛擬試驗 建立包括乘員在內的試驗汽車的三維實體模型；建

18、立包括乘員在內的試驗汽車的三維實體模型； 建立虛擬試驗場的場景模型，場景模型的范圍的大小建立虛擬試驗場的場景模型，場景模型的范圍的大小要滿足試驗車輛行駛距離的要求；要滿足試驗車輛行駛距離的要求； 獲取平順性的動力學數據；獲取平順性的動力學數據； 在虛擬試驗開發平臺上對虛擬試驗的各種資源進行編在虛擬試驗開發平臺上對虛擬試驗的各種資源進行編程調用，實現車輛平順性的虛擬再現；程調用，實現車輛平順性的虛擬再現； 顯示汽車平順性試驗數據，考察指標，評價性能。顯示汽車平順性試驗數據，考察指標，評價性能。 汽車碰撞安全性虛擬試驗結合了結構力學、運動汽車碰撞安全性虛擬試驗結合了結構力學、運動學、工程力學和計算

19、數學等學科的先進技術學、工程力學和計算數學等學科的先進技術。 可以避免實車試驗成本高、時間長的缺點，還可可以避免實車試驗成本高、時間長的缺點，還可以逼真地反映試驗過程。以逼真地反映試驗過程。 20012001年美國年美國ETAETA公司開發出了虛擬試驗場軟件公司開發出了虛擬試驗場軟件VPGVPG（Virtual Proving GroundVirtual Proving Ground），是典型的汽車碰，是典型的汽車碰撞安全性虛擬試驗軟件包。撞安全性虛擬試驗軟件包。1. 1. 碰撞安全性虛擬試驗研究內容碰撞安全性虛擬試驗研究內容：（1 1）汽車零部件碰撞模擬汽車零部件碰撞模擬（2 2）汽車結構耐

20、撞性模擬汽車結構耐撞性模擬（3 3）整車碰撞安全性模擬整車碰撞安全性模擬（4 4）行人保護行人保護2. 2. 碰撞安全性虛擬試驗的實施碰撞安全性虛擬試驗的實施：（1 1）開發虛擬原型開發虛擬原型創建被測汽車的有限元模型創建被測汽車的有限元模型建立假人的有限元模型建立假人的有限元模型（2 2）建立汽車碰撞虛擬試驗場建立汽車碰撞虛擬試驗場（3 3）在虛擬試驗場中調用各種虛擬原型在虛擬試驗場中調用各種虛擬原型 目前，用于評價汽車零部件疲勞壽命的方法主要目前，用于評價汽車零部件疲勞壽命的方法主要是臺架試驗和道路耐久性試驗，試驗周期長、耗是臺架試驗和道路耐久性試驗，試驗周期長、耗費大、安全性低且易受試驗

21、方案影響。費大、安全性低且易受試驗方案影響。 汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗現已發展為在樣車汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗現已發展為在樣車制造前就對零部件進行疲勞壽命分析并以此來修制造前就對零部件進行疲勞壽命分析并以此來修正設計方案，大大縮短產品研制周期，避免了設正設計方案，大大縮短產品研制周期，避免了設計不合理引起的浪費。計不合理引起的浪費。 汽車零部件的結構疲勞破壞是其主要失效形式，汽車零部件的結構疲勞破壞是其主要失效形式，結構的疲勞壽命和疲勞強度是實現結構強度校核結構的疲勞壽命和疲勞強度是實現結構強度校核和抗疲勞設計的重要內容。和抗疲勞設計的重要內容。 適用于汽車零部件疲勞壽命的虛擬試驗軟件適用于汽車零部件疲勞壽命的虛擬試驗軟件包括：包括：MSC.FatigueMSC.Fatigue軟件、軟件、nSoftnSoft軟件和軟件和AnsysAnsys/FE-safe/FE-safe模塊。模塊。 疲勞壽命分析由