汽车仿真技术-彤

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、SIMPACK、DADS等；通用机械CAD/CAE软件主要有I-DEAS、UG、PRO/ENGINEER、CATIA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ENTERPRISE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