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LMS仿真与试验解决方案
LMS仿真与试验解决方案 (编号 1107) (高级会员) http://www.siemens.com.cn/plm/lms
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戴姆勒汽车:新一代行驶动力学仿真技术
作者:LMS
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“世界汽车之王”与其多体系统动力学实时仿真平台

2001年,戴姆勒开创了新一代数字汽车原型设计流程。今天,基于模型的开发和数字化精细设计为日益增加的众多汽车类型创造了统一的开发平台,这就为汽车的改型设计提供了条件,使得每款汽车拥有其自身的平顺性及操稳性特征。

梅赛德斯—奔驰轿车及其平台、发动机变速箱和车桥的开发主要在Stuttgart附近的Sindelfingen和Unterturkheim技术研发中心进行。工作于Sindelfingen的Mercedes技术中心车辆动力学集成部门主管Ludger Dragon教授说:“我们的目标是占据高档汽车市场的领先地位。创新、精确、高效的开发流程,必须能够保证我们向市场上投放最好的车辆,我们的整个开发流程的最终目标就是生产世界上最好的汽车”。

一流的技术和流程

工程上的尖端技术只能通过最好的工艺流程实现,这意味着所有的工艺规范都需要进行精确定义。Ludger Dragon教授说:“为了确保最终产品满足最为严格的标准,在整个产品的开发流程中,从最初的想法到生产标准,我们会与设计、开发、测试和生产部门的同事进行密切合作。”

在汽车的开发流程中,数字化和虚拟样机模型日渐重要。随着2001年数字化标准流程的推出以及梅赛德斯 - 奔驰C级轿车系列投放市场,戴姆勒引领了汽车行业的发展趋势。自此,戴姆勒开始了DPT数字化样机的应用。

在过去的几十年里, 位于Sindelfingen的戴姆勒研发中心对仿真方法和流程方面做了进一步改进。

平顺性仿真团队经理Theodor Grossmann先生表示“这已经成为一种很有前景的流程”。

基于模型的开发是实现平台概念的关键之一。Dragon教授表示:”如今汽车已经进入多模型改型来满足尽可能多的客户需求的时代。我们开发平台的数量不会改变很多,但改型车辆的数量在不断增加,例如,早期我们只有A级和B级,现在我们建立了五种改型车。对于C级和E级也是同样的原理。这些改型车以及他们的驾驶性能主要通过仿真的手段获得。”

数字化的开发流程和数据库

数字化开发流程必须在相同的时间框架下进行。在整个开发周期,设定不同的质量门槛以及数据传递期限。

“在DPT-流程中通过不同的质量门槛来设定不同的数字化开发期限。”控制系统分析小组经理HorstBrauner先生说“通过此方法将结果反馈到开发过程中,从而可以按时访问到所有工程师和分包商。硬件方面,截止日期是按照从第一个试验原型到组装完成所需的时间进行推算的。”

如果想模拟这些组件的细节性特征,就需要建立一个仿真模型。这就会涉及到很多方面,包括几何和功能数据。在戴姆勒,所有已经开发完(从概念设计到减震器的特性研发)的可用的几何和功能数据都被收集到统一的数据库里面。来自不同工程部门的进行新型车辆研发的专家都可以随时访问数据库。结合数字化样机进行的实际测试,通过这种闭环反馈,数据库得以不断更新和丰富。

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更加快速、准确

“在戴姆勒我们越来越重视把数字化流程与硬件系统结合起来。”Dr.Dragon教授表示。“我们希望我们的分销商也持有相同的理念。

在产品开发早期阶段,基于仿真结果我们做了大量的决策,我们最终要达到的目的也是如此:项目经理需确定,他所得到的仿真结果是可信的并且基于此做出的决断是正确的”。

在汽车研发过程中,仿真提供了一些新的可能性。“应用硬件在环(HIL)或软件在环(SIL)方法,我们同样能够更加快速准确地发现问题,然后通知供应商对已经发现的问题采取具体的措施。

“通过这种方式,我们可以完善第一个硬件平台原型。为了满足期望的主观驾驶体验,我们的目标是:高品质地完成每个硬件平台的初始设计,这样我们的测试工程师便可以把精力集中在最后的调试上。”

最先进的方法和流程

为了使这一切成为可能,就需要最先进的仿真方法和流程,换句话说:硬件平台原型最终是期望从虚拟模型中反映出驱动特性。实际上,为了使设计的新车型尽可能带有一丝神秘感,利用虚拟模型中得到的测试数据所建立的试验汽车模型在进行道路试验时都要蒙上隐形外罩、贴上胶带,尽可能的对新车设计进行保密。

“一般第一台试验车在完成计算和规范定义六个月后即可准备好,”Horst Brauner说“试验车准备好后,我们便开始进行微调,该微调处理过程是主观评价和客观测试相结合的过程,在此过程中,仿真工具可以帮助我们找到更好地解决方案。”

Dr.Dragon教授强调:“在整个开发流程中,我们一直在使用仿真技术。“因此,我们也希望能够改进现有的流程。在早期开发阶段,我们进行了大量的计算来展示最为接近现实情况的驾驶行为。我同样也相信我们的方法是行之有效的。”

“以汽车的侧向风性能为例:在实际测试中,不可能得到一致性的确定性的侧向风,因为必须区分侧风本身和汽车性能,所以对真实的车辆进行系统的主观评价是非常困难的。

应用我们的操纵模拟器,我们开发了著名的随机侧风,这样,我们既可以对车辆的侧向风性能进行主观评价,同时还为侧向风辅助系统的开发提供技术支持。

基于模板驱动的仿真

在戴姆勒,平顺性和操纵稳定性多体系统动力学仿真的一个关键因素是需要一个共享的汽车子系统模板数据库,该模板数据库能支持各种载荷谱需求。从汽车轴系的K&C特性仿真分析到整车开环闭环操纵稳定性分析,例如:ISO轨道变化,恒定半􀀀转向,J-转弯,不同的道路特性行驶以及单障碍等。此外,多体系统动力学模型必须能够实时运行,允许对ECU进行HIL测试设定。为支持该项功能,根据掌握的载荷负载工况,子系统模板模型以模块化的思想进行创建,终端用户可对车辆进行组装,对模板和载荷工况进行修改,通过运行模型,对结果数据进行后处理分析,从而得到所需的分析数据。

总之,作为DPT流程一部分的平顺性和操稳性分析可以实现针对每个汽车参数的超过100种不同工况的DOE自动化运行。每种载荷工况都是提前预设好的,可以交互运行或是全自动运行。因此,LMS Virtual.Lab Motion求解器的可靠性和准确性以及基于VB的自动化功能使其成为平顺性仿真流程的重要里程碑。LMS Virtual.Lab Motion实时仿真模型使用HIL仿真方法实现操稳性仿真。

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车辆动力学

戴姆勒所有开发项目的驱动力源于”品牌明星“、完美魅力和责任这三大信条。当平顺性和操纵稳定性目标出现冲突时,在车辆动力学的仿真流程中需要得到最优的结果和最好的解决方案。传统的平顺性&操纵稳定性功能与客户需求息息相关。但很多情况下,功能之间的目标往往是相互冲突的,”Dragon教授表示“首先,我们需要最好的结果。”但是平顺性&操纵稳定性意味着只能找到一个最优方案。一个运动型的设计意味着需要具有更多的灵活性,一个舒适的设计意味着要多些舒适性。所以目标设置在产品定位时就已经确定了。

在产品开发流程的早期阶段,基于模型的工程便可以使我们对于棘手的问题找到一个最佳的解决方案,也可以帮助我们完善现有的解决方案。

这个数字流程为我们的硬件测试奠定了基础。此外,通过特殊的分析,我们支持硬件驱动开发流程。

解决平顺性和操纵稳定性之间的矛盾

为了模拟现实,建立一个数字化的平顺性和操纵稳定性仿真模型是一项非常复杂的工作。汽车的平顺性和操纵稳定性受到各种机械零部件的影响:轮胎、悬架、减震器、发动机支架、座椅、方向盘、车身、发动机、空气动力学、传动系统...

所以这是一个很大的议题,将子系统从平台中分离出来考虑,不论从设计角度还是从汽车特性上,都意味着不同的平顺性和操纵稳定性表现。

Dr.Dragon教授表示“今年,将会推出新型的A级轿车,它与去年推出的梅赛德斯 - 奔驰B级有着相同的平台。这两种模型的开发曾经深深地受到平顺性和操纵稳定性仿真的影响。尽管这两款汽车共享很多零部件,用户也会发现这两款汽车的很大不同,不仅是在设计方面,也在驾驶体验方面。”在汽车系统动力学领域将会有越来越多的控制系统,例如:主动悬架(ABC,CDC....)系统,制动防抱死系统,轨道偏离保护系统,以及电子助力转向系统......

控制系统

“当面对平顺性和操纵稳定性特性之间的冲突时,主动系统为我们开辟了更为广阔的自由解决空间。”Horst Brauner先生表示。“这些系统的开发与汽车的开发是齐头并进的。主动系统帮助我们在开发的过程中始终向前行,而不是中途休止。我们的目标是准确地设计符合市场需要的驾驶体验。

因此,我们的仿真工具在模拟车辆动力学时需要具有各种不同的选项和方法。当然,这些方法中包括硬件在环仿真环境中的主动控制系统,这无需从MBS工具转换到特殊的实时车辆动力学软件程序中。”控制系统的软件集成是由不同的分包商完成的,因此,不仅是每个独立的系统,而且对于集成后的系统的总体特性均被仿真和测试过。所有的这些控制均用HIL和SIL系统分析过。最后,为了能使虚拟化的汽车模型进行实车测试,就需要更多的组件模型,例如定义各种可能的乘客,驾驶员以及道路场景。

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法律规范

现在,基于模型的原型和模型驱动的测试已经成为戴姆勒汽车开发流程的一部分。车模的精细化设计程度已经逼近数学模型。最初,新模型的开发源自已经存在的验证性模型,而后做一些细节性的变化。对一些新的组件,为了验证和测试其可行性,在开发的早期阶段便生成三维模型,这个过程称为快速原型开发流程。当所有的组件组装成一个完整模型后,新的汽车模型将会在试验台上进行测试,今天,在汽车的可持续开发阶段,实时处理的模型不仅用于测试和优化,也用于法律法规的评定评级。
文章内容仅供参考 (投稿) (2013-12-20)
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