汽车VPD技术面面观

作者：MSC.Software

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 安全性问题 竞争优势 全球汽车工业对汽车安全性越来越重视，与安全强制法规相关的试验也在大量增加。目前碰撞安全问题在碰撞前、碰撞中和碰撞后阶段同时展开研究。在碰撞前阶段利用主动避撞系统；在碰撞中阶段利用车身结构、气囊展开、安全带张紧等措施减小伤害；在碰撞后阶段，主要关心油箱是否破裂以防止爆炸或起火。MSC.Software虚拟产品开发设计能够对每一个阶段进行设计研究。 碰撞前阶段 避免碰撞发生当然是车辆交通中最有效的降低伤亡的方法。而车辆的行为，例如车辆打滑、侧翻、或者车轮遇到冰路面将会发生何种状况等等可以利用虚拟样机来预测。在ADAMS/Car中结合多刚体和控制的仿真可以模拟从主动悬架到ABS制动器等系统的试验来增加主动安全性。通过同步调整机械、控制系统对车辆进行优化，可以大大缩短设计周期。 碰撞中阶段 一旦碰撞不可避免，气囊展开和座椅安全带的预张紧就成为减小伤害的关键因素，虚拟产品开发能够对这些系统进行优化。气囊展开可以利用SimOffice中的MSC Dytran，安全带约束系统的力可以利用多体仿真分析软件。在样车建造和法规试验之前进行虚拟试验可以大大地降低开发费用。法规试验中车辆各种性能可以用SimOffice中提供的有限元方法来进行精确地预测和研究。 碰撞仿真流程通常需要大量人力，管理仿真产生的海量数据也是一个挑战。模型组装、质量检查、定义工况、报告准备等方面如果引入流程自动化和数据管理则可以节省大量的人力。MSC.Software是领先的流程管理和自动化工具供应商，其产品MSC SOFY 和 MSC SimManager 都提供了汽车碰撞流程自动化的环境。将工作流程确定下来并进行客户化配置后，软件工具可以自动地生成代码来指导用户完成工作流程。例如，德国宝马(BMW)公司利用MSC SimManager建立碰撞仿真自动化流程，管理海量仿真数据，并且可以和供应商合作，使供应商可以上载各自相关的部件。 LSTC公司的领先的碰撞求解器LS-Dyna可以通过MSC Nastran（Sol700）的标准格式来调用。因此，适撞性和显著非线性问题都可以采用和NVH部门同样的模型，这样通过不同部门的协作可以节省大量的时间和费用。 碰撞后阶段 避免碰撞后起火取决于供油系统的完整性，该项安全要求已在美国安全法规FMVSS301中有明确规定。车辆碰撞后的燃油泄漏必须避免，MSC.Dytran采用拉格朗日和欧拉技术，可以模拟碰撞中和碰撞后油箱的液固作用、结构大变形、结构接触等问题。 MSC.SimManager也可以集成到碰撞后开发流程中，一级供应商TI汽车公司采用MSC.SimManager管理油箱开发过程中的冲击、压力真空、跌落、下陷等试验。 车辆动力学问题 矛盾 汽车工业需要在开发过程中减少时间和费用，同时推出创新的产品。当前比较通用的策略是利用通用的开发平台、共享部件开发众多系列车型。这就导致出现两个相互矛盾的目标：一个是新系统的开发，另一个是通过共用平台和零部件减少系统的变型。借助于虚拟产品开发可以有效地满足这两个目标。 利用基于模板的方法，可以建立全参数化模型来支持面向模块的开发策略。例如，虚拟设计可以使用虚拟悬架子系统在建造费用高昂的样车前研究众多设计变量的影响，这就大大缩减了设计周期、降低了开发费用。 利用MSC SimOffice提供的基于模板的产品，可以快速地建立整车和子系统的虚拟样机。只需很短时间，即可在仿真环境中完成真实路面或台架试验的仿真计算，甚至可以在建造第一台虚拟样机之前就可以完成。 ADAMS/Car 和ADAMS/Chassis的虚拟样机技术适用于任何车辆设计，包括从紧凑型轿车到重型卡车，从大批量生产到小批量生产车辆，同时可运行大量的“What-if”设计优化以得到更好的车辆性能。 满足客户的期望 为了在汽车实际建造前就保证其设计满足规范，可以利用参数化模型来优化设计。但是这种要同时满足许多矛盾性目标的优化往往很复杂，这可以通过将问题分解为不同级别的子系统问题的途径加以解决。 定义子系统目标的第一步是使用诸如ADAMS/Car RealTime提供的概念模型；其次，使用更详细的模型和参数来定义部件级别的目标；最后，在部件水平上利用刚度或强度目标完成优化。在许多情况下，特别是在仅有很少参数可知的概念设计阶段，要借助工程师的知识和经验将总目标分解为各个级别的子目标。利用参数化模型可以找到一组设计参数，提高关键性能、同时尽量避免牺牲其它的设计性能。MSC SimOffice中提供的DOE和随机方法进行自动化设计，可以加速设计过程。 布局和匹配 某些新开发的悬架系统性能很好，但如果不能和车辆匹配是没有意义的。部件开发人员需要更紧密地和车辆动力学工程师协作以避免在开发后期出现布局问题。另外，将部分CAE的工作转移到CAD部门可以避免因部门间的数据交换造成延误。MSC.Software的SimDesigner产品线可以在CAD环境下完成仿真。MSC.Software 和丰田（Toyota）及大众（Volkswagen）合作，开发了SimDesigner Suspension 产品，可以在CATIA V5环境下完成悬架相关的标准分析。通过和ADAMS/Car双向切换的界面，悬架子系统可以完成递交以验证其在整车下的性能。这不仅提高了部门的协作水平，也避免了以后可能出现的布局和匹配问题。 耐久性问题 一个高费用的问题 汽车产品耐久性如何？汽车行业有行驶100,000英里或更多里程的保证条款，只有当车辆投放市场四五年后，这些条款的潜在影响才可能会出现。 汽车制造商和零部件供应商不能够简单地通过延长开发周期来满足更长的耐久性试验，必须有更高效的开发策略。 一体化耐久性 最有效的解决方法是用VPD缩短并增强当前的物理试验流程，更完善地研究车辆的耐久性。 通过利用ADAMS/Car 和ADAMS/Chassis，可以建立称为“半分析载荷”的VPD强化试验，用于车轮力测量。通过虚拟试验，物理试验部门可以更快地运行试验,并将更多的时间集中在试验精确性和重复性上。另一个重要的方面是产生多轴试验台架的驾驶文件，这通常需要较长学习或迭代过程，而实物样机有可能在试验周期结束前损坏。MSC.Software协助DaimlerChrysler公司将该过程转移到虚拟环境中，降低了对硬件的依赖、加速了试验过程。 灵敏度分析 虚拟产品开发技术可以使制造商通过汽车设计参数对寿命的影响来更深入地了解产品。ADAMS/Insight利用试验设计（DOE）方法识别关键参数及其耦合作用。Nissan公司在VPD环境下，利用ADAMS/Car进行了试验设计研究以考察关键因素如冲击和发动机悬置对仿真的影响。目前正在将此项技术用于更多的开发项目。 ADAMS/Insight和MSC Robust Design作为决策支持工具可以帮助用户在复杂情况下就可能的设计做出判断。当有大量的参数需要研究时，以自动化的方式采用Monte Carlo 类型的方法研究所有参数并得到最后的设计方案，极大地提高了分析效率。 耐久性门户 对于不断缩减开发周期的要求，耐久性问题最后的解决方案是促进更多的协作。合作可以表现为许多形式，MSC.SimManager进行流程自动化，通过捕获整个工程流程可以让经验少的工程师在短时间内效率加倍，经验丰富的工程师可以集中于更高层次的研究。 NVH问题 分水岭 汽车制造商已经开始意识到投放市场的车辆声学性能的重要性。在当今竞争激烈的市场上，NVH性能是车辆好坏的分水岭，并且对用户整体满意度影响很大。汽车厂商和零部件供应商希望在开发中更早的阶段就了解到其产品的NVH性能，这必须要求车辆动力学和NVH等不同学科之间,以及制造商和供应商之间的通力协作。 衡量汽车NVH性能的指标包括主客观性能在内有几十种，虽然物理试验仍旧在广泛使用，但是虚拟产品开发技术愈来愈广泛地在开发设计更早阶段得到应用，跨学科的虚拟产品开发可以比较均衡地达到车辆的整体性能。 概念设计阶段的NVH 在设计阶段各种性能之间必须做出折衷，车辆开发面临着要把动力学分析的悬架模型和概念设计阶段的车身模型进行组装并预测其整体性能的挑战。MSC.Software具备完善的多体和有限元解决方案，并与领先的制造商合作改进、整合这些开发环境，在设计开发的早期就得到整车的振动性能。目前，MSC ADAMS已作为汽车行业车辆动力学的标准仿真技术广泛应用于NVH仿真。 创新的NVH解决方案 NVH性能不仅仅和振动响应相关，而且也和车辆的内部噪声密切相关。虚拟产品开发环境下的MSC SOFY可以方便地组装振动和声学的车身模型，包括结构和流体的自动耦合，频率可到200Hz。MSC SOFY和MSC Actran求解器相结合，可以精确识别装饰件及其内含物的声学吸收特性。MSC.Software的用户正应用这种VPD开发环境来得到高真实度的模型，并可将供应商的装饰部件的影响纳入到整车模型中来。 声学问题计算 长期以来，进行系统级的声学仿真的最大限制因素是过长的计算时间。现在，MSC Nastran的自动部件模态综合技术（ACMS）,可以将车身NVH仿真的时间缩减到可接受的范围而不影响结果的精度，可方便地纳入到工程流程中去。 动力传动系问题 创新的费用 当前，促使动力传动系不断创新的因素是降低二氧化碳排放、燃油燃烧率提高、排放法规以及减少车主的支出。新的创新概念如尺寸缩小、可变压缩比、多种燃油能力、混合动力、燃料电池可以用来达到更严格的目标。然而，采用传统的开发策略，会大大增加时间和费用。因此需要新的开发策略在规定的时间和费用范围内完成系统的开发。 CAE已证明了其在设计满足目标性能方面的能力。包括从模型建造、仿真到报告生成的应用，已经具备了集成的开发流程并缩短了开发时间。所以，仅仅关注求解器和报告生成器的效率是不够的，必须以最优的方式将这些重要方面结合起来。为了加强动力传动系市场，MSC.Software与FEV Motorentechnik GmbH(Aachen,德国)建立了开发合作伙伴关系，重点为动力传动系的机械仿真。 保证结构可靠性 正在开发的发动机需要满足将来要求的高功率、低排放、承受更高的热载荷及峰值点火压力。在更短的开发周期内，需要采取新的方法研究高负荷发动机的结构设计、载荷材料特性以满足耐久性目标。此领域一般采用非线性有限元分析，但是一直面对复杂模型处理时间太长的问题，比如CAD模型清理、网格划分等等。 MSC GS-Mesher可以自动化快速划分网格，同时缩减模型清理的时间达到60％。过程自动化还可快速处理边界条件和建立分析。MSC Marc/MSC Nastran Sol600 的接触建模能力和区域分解并行计算（DDM）大大提高了求解效率。 轻量化 发动机设计的另一个挑战是在不牺牲耐久性的前提下，减小整体重量。考虑到逐渐增加的压力峰值和热载，实现这些目标越来越难。通过FEV加强的ADAMS/Engine结合MSC.Nastran可以精确地预测载荷和应力。发动机不同旋转速度下的时间历程作为疲劳分析软件如MSC.Fatigue，FE-Fatigue的输入，这个过程提供了诸如曲轴关键部位考虑安全因子的结果。 动力传动系NVH 发动机和传动系产生的噪声对车内噪声和路过噪声影响很大，低噪声发动机的设计越来越重要。不断缩短的开发周期要求在开发过程早期要采用先进的噪声预测方法。MSC.Software的虚拟产品开发平台全面地解决动力传动系的声学问题，包括从燃烧产生的轴承载荷、辐射表面振动的计算到后续振动向自由空间的辐射等。 精确输入和仿真 降低噪声首先要准确确定燃烧引起的轴承载荷，并传递到产生辐射的发动机部件。通常这些数据由物理试验得到，这就限制了动力传递系的优化。“通过使用发动机虚拟样机，包括弹性的曲轴、缸体、发动机悬置，可以获得高真实度的轴承载荷，能够代表载荷频率成分的影响，所得频域结果作为辐射部件频率响应分析以确定其表面位移。”FEV负责与MSC/Engine开发的Mrtin Rebbert 博士说。 从表面速度到辐射功率 声辐射仿真由于太耗费计算资源，经常在开发周期末进行，一般仅仅是评价表面振动水平。这些振动给出发动机表面机械能的分布，只有声学计算能够知道其中多少能量转换为声辐射能。外部声学创新技术结合数值技术的进步，使得完全基于VPD技术的声学优化成为现实。 传动系振动 除辐射问题外，另一类为传动系振动问题。这些复杂的振动可能由从变速箱到车桥以及其间的传动轴等任何部位所造成，并且通常由物理试验来研究。现在，VPD技术已经开始应用于此领域来降低振动和其它相关问题。例如，Honda公司利用VPD辅助物理试验进行研究以减小在手动档的小型和中型轿车的“摇动”。该问题产生是由于动力传动系和底盘的相互作用并和橡胶衬套特性相关。通过将虚拟模型和物理模型关联，Honda很快找到了一套方法对动力传动系部件进行优化，避免了该问题的重复发生。 未来创新概念 一些制造商需要对不同混合动力汽车进行分析以确定其能力。MSC EASY5可以用其预置的、重复使用的数学模型结合其它的机械和控制模型，建立完整的混合动力汽车模型。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/21/2007)