更少的试验设计更多的新车型

作者：比利时LMS国际公司北京代表处

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, ... 激烈的市场竞争使汽车制造商们必须能够提供多种类型的汽车和变型版本，才能满足广大消费者不断变化的品味和时尚追求。与此同时，汽车制造商还要继续保持产品的高品质，并不断减轻汽车的总体重量。新设计方案的不断增加已经使耐久性试验设备的使用达到了极限，这成为制约汽车制造商开发新车型的瓶颈。为了解决这一问题，BMW集团已经在其核心开发进程中集成了LMS寿命预测软件。尽管面临着产品种类不断增加的实际问题，但BMW集团的物理样机数量并没有增加。系统级耐久性仿真技术结合专门的分析和可视化功能为BMW集团工程师、设计团队和主要供应商之间构建了一个有效的交流合作平台。这样，BMW集团的汽车开发周期明显缩短，特别是对变型产品。 消除试验瓶颈 汽车产品具有良好的耐久性对于激烈的市场竞争来说是极为重要的。一方面工程师设计的部件和系统，必须能够承受指定的工作载荷、预定的工作周期以及某些错误使用。另一方面，车辆的设计还要减轻重量、降低成本和燃油消耗，满足排放标准。因此在疲劳寿命设计中存在有很强的复杂性和矛盾冲突，目前汽车企业主要依赖无数的物理样机试验和模拟试验，非常耗时并且成本高昂。如果试验结果不好，就意味着需要重新修改设计，而导致设计新的物理样机，重新进行试验。整个过程重复进行直到符合所需求的疲劳寿命。 BMW集团目前提供的车模型数量是15年前的2倍，还有很多变型版本。例如宝马3系列车型具有汽油或柴油发动机、自动和手动传动系统、后轮和四轮驱动以及像敞篷车或旅行车等不同的车体设计。每一种不同组合都会对车辆载荷有不同的影响，因此每种组合都需要在设计中分别考虑。如果所有可能的组合都依靠试验验证，则至少需要25种试验任务，这样仅仅为一个系列的车模型，就需要长时间占用试验台进行试验。对疲劳寿命的验证单纯依靠试验方法已经不再现实。 预测疲劳寿命的系统方法 虚拟仿真和疲劳寿命试验相结合的方法，无疑是当前解决不断增长的车型多样性，加速产品上市时间和确保质量标准的最佳解决方案。过去，在零部件设计阶段，通常以准静态的强度计算方法估计零部件可能承受到的载荷水平。但依靠静强度的计算，忽略了循环载荷对耐久性的影响，造成了耐久性评估的不可靠性。为了改善这种状况，BMW集团配置了对动态应力和零部件进行早期疲劳寿命估计的一种系统方法。利用耐久性分析软件，BMW集团的工程师计算循环载荷作用下的零件强度，来表示设计中的真实疲劳寿命。这使得他们能在开发早期对耐久性属性进行评估，并且对主要的设计方案做出正确的选择。 为了在开发早期更精确地预测载荷，BMW集团检验了将LMS混合路面（Hybrid Road）与多体仿真相结合的方法。LMS混合路面从由以前的模型车测量的轮轴载荷开始，将这些载荷转化为轮轴位移。获得的轴位移（轴位移大小更多地依赖于路面而不是车的特性）用于整车多体模型的输入。通过动力学仿真，可将整车所受激励逐级地转化为作用于底盘和车身零部件的循环载荷或者位移。LMS Virtual.Lab Durability耐久性分析模块自动地将循环载荷与有限元分析得到的单位载荷应力相乘。从数据和结构信息（如材料性能、疲劳寿命预测）可以估计累计的损伤，识别薄弱部位，提供根据结构能够承受的工作周期数来表示的疲劳预测。 物理原型的试验往往需要几个星期的时间，而LMS寿命预测软件使工程师能够在几天时间内识别和纠正疲劳问题，这缩短了分析过程并且使假设推测研究成为可能，从而使设计更加完善，并在部件原型制造和装配之前，纠正大部分疲劳寿命问题。因此，在系统验证阶段，很少需要反复验证。这样，CAE工程师节约了时间以及昂贵的循环试验。 新的系统已经广泛应用于BMW集团的新车开发中，并在帮助工程师尽早地鉴定并纠正潜在问题方面，取得了极大的成功。例如，疲劳寿命分析曾经用于仿真5 000多个焊点焊缝，这样工程师能够改善设计，在开发早期消除应力多、大的区域。 虚拟仿真使合作更加容易 疲劳寿命预测功能与其他功能，例如碰撞性能分析和声学分析，集成于强大的交流平台中能够帮助CAE工程师与其他团队合作开发，包括设计者、试验工程师、管理者和主要供应商。这些信息交流主要依赖于软件的分析能力和结果的可视化程度以及能够提供给工程师所需的减少耐久性问题的深入见解的能力。 LMS Virtual.Lab Durability耐久性分析能够显示彩色编码的“热点”损伤区域图和图像，同时可以结合载荷时间图进行显示。结构变形动画可以在应力或损伤结果分析之后显示。损伤积累、疲劳寿命、最大应力幅值以及安全系数都能够以图形格式真实地显示出来。 使用这些可视化和分析功能，耐久性CAE工程师能够为设计团队提供有价值的反馈，从而提高疲劳强度，例如采用不同的材料。同样地，CAE工程师能够提供给试验工程师疲劳寿命仿真结果，指导试验程序并识别存在破裂风险的潜在区域。这样，耗时且昂贵的耐久性试验可以主要集中于减少问题区域。疲劳寿命分析结果还能够以非技术形式显示给管理人员，例如损坏的后果及其在结构上的表现。开放式系统能够有助于同供应商和其他外部团队的交流，特别是与有合作意向的合作伙伴。 结语 快速提供疲劳寿命预测结果的仿真能力和不同团队之间的紧密合作，加速了车辆的开发进程。进一步说，虚拟仿真使不同职责的团队之间横向合作变得容易，从而有利于开发出更具创新性设计的未来车辆，这正是BMW集团这样的高端汽车制造商成功的关键。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/10/2009)