虚拟试验场(VPG)技术--汽车CAE技术的最新进展 - 文章

虚拟试验场(VPG)技术--汽车CAE技术的最新进展

作者：ETA公司

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一前言

现代汽车工程对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构CAE分析已不满足于结构线弹性分析。实际上汽车结构系统中的确存在大量非线性结构问题，汽车产品精益设计要求CAE分析更多地考虑非线性系统的影响。

其次，零部件分析虽然是最普遍的分析，但是汽车是一个由成千上万个零部件组成的大型系统，部件间存在极为复杂的力和变形作用关系，人为地假定这个受力关系显然不能满足现代汽车设计要求。

第三CAE分析结果和加载直接相关，没有统一的载荷标准就无法准确评价分析结果。汽车系统的工作条件是随机的，CAE分析中引进统一地、标准的道路载荷是行业的普遍要求。

第四，分析对象大型化，分析工作迫切要求提高建模效率和模型精度，特别是标准部件（例如轮胎）模型标准化和数据库化。

第五，系统分析已经不能满足于刚体模型，需要考虑系统部件的柔度进行动力学仿真。强度分析也需要知道在结构运动过程中的应力响应。这就提出在非线性系统分析模型中同时存在刚体、柔体、铰、弹簧和阻尼部件，同时进行显式和隐式有限元分析。

最后，随着汽车产品对安全、节能、清洁、舒适化的更高要求，分析内容从过去的结构分析、优化设计向碰撞仿真、NVH评价、有限寿命方面发展，汽车系统全面仿真已进入实用阶段，虚拟样机开始普及。

现代汽车工程对CAE 提出了新的要求，并且将提出更高的要求。CAE行业只有适应这种挑战才能得到发展。

二现代非线性软件述评

面对前述汽车工程对CAE软件的要求，CAE 软件业的第一个应对是纷纷发展大型高度非线性软件。目前在世界范围内，发展最早、理论最坚实、方法最完全、能够同时进行显式和隐式有限元分析、采用超并行处理、在汽车业中用户最多的当数 LS-DYNA 。鉴于汽车CAE界对大型高度非线性软件LS-DYNA已有全面了解，这里就不多重述。

大型商业化通用高度非线性软件，一般是面对全工程界的。从道理上讲，功能虽然有别，但是大体上是可以满足本文第一节所提及的汽车CAE 分析要求，或部分要求。

对于工程用户，例如汽车工程用户，大型商业化通用软件中和汽车过程没有关系的功能并不是必需的。用户为满足自己的工程需要，通常进行二次开发。

在CAE应用界，有能力的用户大多选择一优秀的通用软件平台，进行不同程度的二次开发，以便在建模、分析程式化、结果统计评价等方面满足自身的需要。这也是CAE 软件强调“开放性”的理由。二次开发的专业软件的确是CAE的一个发展方向。

进行大规模，高水平地二次开发，并非一件容易的工作，开发人员应对基本软件平台有充分的理解，有丰富的应用经验和坚实地专业能力。

三 VPG是现代汽车工程CAE软件的最新成果

VPG（Virtual Proving Ground ）虚拟试验场是美国ETA（Engineering Technology Associates, Inc.）公司总结汽车CAE长期工作经验，在LD-DANA软件平台上开发的，是美国 ETA/LSTC/ANSYS 三个公司合作推出专门应用于汽车工程的软件。

VPG技术应用于当前汽车产品开发中的前沿—整车系统疲劳、整车系统动力学、NVH和整车碰撞安全及乘员保护等最热门仿真问题。

大家知道，软件和工程相结合是特别重要的。VPG技术是ETA公司在多年汽车CAE仿真工作经验基础上，总结丰富地汽车专业工作经验而开发的。LD-DYNA 软件优秀的本质，保证了VPG具有先进的功能。丰富地数据库为用户提供了极大的方便，应用方法简单标准，深受汽车工程界的欢迎。

四 VPG功能：

VPG虚拟试验场的功能是进行有关整车系统全部试验项目仿真：

• 道路条件下，整车系统疲劳寿命分析

• 柔性和刚性体组合体（含整车系统）的非线性系统动力学分析

• 整车系统NVH 分析

• 碰撞仿真和乘员保护及评价

五 VPG特点：

VPG 的主要特点：

1. 是在最著名的非线性软件LS-DYNA 平台上开发的产品，保留了大型通用非线性软件LS-DYNA的全部功能。

2. 有强大的建模能力，标准模型数据库化。VPG有全面的标准模型数据库，例如悬挂模型、轮胎模型等，一般只要调用就可以方便地形成整车分析模型。常用的悬架模型有：

–McPherson液压减振器 Strut –长短臂Short-long Arm

–Hotchkiss渐变叶片弹簧(Leaf Spring) –后拖臂Trailing Arm

–五连杆5-link –四连杆Quadra Link

–扭杆Twist Beam –实体轴Solid axle

3. 对整车非线性分析，轮胎模型是特别关键的。所以VPG数据库有特别丰富的轮胎模型描述，以适应车身疲劳和寿命分析、振动噪声的NVH研究、动力学分析的需要。

• 用于车身疲劳和寿命分析的轮胎模型：

内部函数构造轮胎模型

从轮胎库中直接选取

允许直接输入试验数据

SAE971100论文所述的轮胎模型

• 用于评价振动噪声的NVH研究的轮胎模型：

更详细的轮胎结构
更复杂的轮胎材料
B.G.KAO等人研究的轮胎模型

• 用于动力学分析的轮胎模型：

一般只需给出轮胎型号

4. 载荷条件数据库化，对于疲劳、NVH和动力学分析，提供标准的路面模型，目前引入美国MGA汽车试验场路面数据库：

• 交替摆动路面(Alternate Roll)

• 槽形路(Pothole Tracks)

• 鹅卵石路(Cobblestone Tracks)

• 大扭曲路(Body Twist Lane)

• 波纹路(Ripple Tracks)

• 搓板路 (Washboards)

• 比利时石块(Belgian Block)

5. 模块化的软件集成环境

VPG/PrePost 模块

VPG/Structure 模块

VPG/Safety 模块

6. 百分之百支持LS-DYNA所有的关键字， VPG/PrePost支持LS-DYNA所有的关键字，用户可以很方便的进行图形界面输入，无需进行文本编辑，并且每一个关键字的参数都有简要的说明。 H-Point

7. 强大的网格生成功能，汽车的大量部件为板金件，一般划分为壳单元，对网格的要求是能自动生成四面体网格，花时少，网格的质量保证（三角形网格应严格控制在一定的百分比内），VPG/PrePost具有自动快捷分网，人工控制网格质量等特点。

8. 强大的自动焊点处理功能，在汽车模型中，点焊是主要的联接方法，一般有3000-4000多个，在建立有限元模型时，点焊的人工处理工作量很大，并且容易出错，严重影响工作的进度，VPG提供自动焊点处理工具，非常快捷的生成焊点。

9. 基于FLANGE的网格划分功能，在汽车模型中，由于焊接等工艺的要求，许多部件具有FLANGE，该部分的网格划分受到焊点单元生成的要求，希望是比较规则的网格，VPG/Prepost提供此功能，统一把FLANGE划分成两排四边形单元。

10. 全部分析控制程式化，应用方便，结果评价服务完善。

六 VPG/Structure应用举例：

• 小型车搓板路振动分析和NVH评价，将时间域信号变换为频率域进行NVH评价。

• 悬挂系统运动学仿真，蛇形行驶试验的仿真模型和结果

• 疲劳例题：

悬挂上盖板应力响应和疲劳寿命评估

悬挂控制臂工作过程的应力响应和寿命评估

七 VPG/Safety特点

1．VPG/Safety是一个汽车碰撞仿真和乘员安全专门模块。除VPG通用库外还提供了：

·假人

–SID 和 EUROSID假人模型 (FTSS 和 Generic)

–混合 III 型假人模型 (FTSS 和 Generic)

–儿童假人模型 (FTSS)

·壁障

–FMVSS/ECE 侧碰壁障。

–0度刚性正碰壁障

–30度刚性正碰壁障

–偏置正碰可变形壁障

–后碰壁障

·冲击锤

–撞锤

–摆锤

–头锤

2．在碰撞仿真能力方面VPG/Safety提供了标准碰撞测评模式，基本上包括了全部安全检测标准，极大地方便了用户应用。

整车防撞分析：

FMVSS 规则

FMVSS 208 (正碰)

FMVSS 214b (侧门侵入)

FMVSS 214 (侧碰)

FMVSS 208 (0度/30度刚墙)

FMVSS 216 (顶盖压垮)

FMVSS 301 (平面刚墙后碰)

FMVSS 301(70% 偏置可变形壁障后碰）

ECE规则

ECE 94 (40%偏置可变形壁障正碰 )

ECE 33 (正碰）

ECE 34 (后碰)

ECE 95 (侧碰)

保险/消费者要求

正面柱碰撞

侧面柱碰撞

IIHS 40% 偏置可变形壁障正碰

AMS (刚性15度, 50%偏置防滑行设备)

保险杠碰撞 FMVR581(平面偏置摆锤)

乘员安全分析

FMVSS 201 (自由运动头碰撞)

FMVSS 207/210 (安全带固定点)

FMVSS 225 (儿童约束系统)

FMVSS 208 (雪橇实验乘客仿真)

FMVSS 208 (膝盖垫仿真)

FMVSS 203 (操纵控制系统)

ECE 17 (行李侵入)

ECE 12 (操纵控制系统)

3．方便实用的假人定位系统：在汽车碰撞仿真中，假人的放置和调整非常烦琐，VPG/Safety提供专门的假人定位工具，完全按照人体关节运动原理调整假人位置。

4．简单快捷的安全带生成方式，用户只需定义四点来自动生成安全带模型。

5．VPG/Safety 提供工具自动进行气囊折叠，简化用户建模。

6．VPG/Safety使用方法特别简单：

在使用方法方面，VPG技术抛弃了通用软件的复杂、繁琐、深奥地命令和选择项目，实现了按菜单引导，方便轻松地完成仿真任务。下图的9 个步骤，就可以方便地完成 ECE95 侧碰撞仿真工作，为用户提供了极大方便。避免了在使用通用软件中所必须提供的复杂命令、选择和卡片的输入。

下面为ECE 95侧撞击的简单步骤：

5. 定义假人的H 点位置

6. 选择侧面碰撞目标位置

7. 检查自动接触定义

8. 提交分析

9. 根据 ECE 指导说明分析结果(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/29/2004)


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