1、10.1 概述概述10.2 虚拟试验在汽车工程领域的应用虚拟试验在汽车工程领域的应用第第10章章 汽车虚拟试验技术汽车虚拟试验技术10.1 概述概述虚拟试验技术是一种先进的计算机试验仿真技术，虚拟试验技术是一种先进的计算机试验仿真技术，利用它可以在虚拟试验环境下，借助交互式技术利用它可以在虚拟试验环境下，借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在汽车设计阶段就能和试验分析技术，使设计者在汽车设计阶段就能对产品的性能进行评价或试验验证。对产品的性能进行评价或试验验证。10.1.1虚拟试验的定义虚拟试验的定义从广义上讲，虚拟试验是指任何不使用或部分使从广义上讲，虚拟试验是指任何不使用或部分使用实际硬
2、件来构成试验环境，完成实际物理试验用实际硬件来构成试验环境，完成实际物理试验的方法和技术。的方法和技术。虚拟试验是在计算机上采用软件代替部分或全部虚拟试验是在计算机上采用软件代替部分或全部硬件实现各种虚拟试验环境，使试验者如同在真硬件实现各种虚拟试验环境，使试验者如同在真实的环境中一样完成各种预订试验项目，取得接实的环境中一样完成各种预订试验项目，取得接近或等价于真实试验的数据结果。近或等价于真实试验的数据结果。10.1.1虚拟试验的定义虚拟试验的定义虚拟试验系统包括软件型和硬件在环型两种。虚拟试验系统包括软件型和硬件在环型两种。纯软件型系统将试验环境、对象全部抽象为数学模型，把纯软件型系统将
3、试验环境、对象全部抽象为数学模型，把抽象的数学模型和软件技术作为侧重点，仅利用软件完成抽象的数学模型和软件技术作为侧重点，仅利用软件完成整个系统的仿真。整个系统的仿真。硬件在环型是在计算机软硬件技术发展到一定阶段之后才硬件在环型是在计算机软硬件技术发展到一定阶段之后才出现的一种集多种技术于一体的综合系统，是指将硬件实出现的一种集多种技术于一体的综合系统，是指将硬件实物嵌入仿真系统的实时动态仿真技术，需要同时完成大量物嵌入仿真系统的实时动态仿真技术，需要同时完成大量运算、数据处理和执行多任务。运算、数据处理和执行多任务。10.1.2 虚拟试验的特点虚拟试验的特点（1）试验成本低试验成本低（2）试
4、验可重复试验可重复（3）试验安全可靠试验安全可靠（4）试验可控性好试验可控性好（5）信息量大而丰富信息量大而丰富10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件1.Adams软件软件Adams即机械系统动力学自动分析。即机械系统动力学自动分析。除用于机械系统静力学、运动学和动力学分析外，除用于机械系统静力学、运动学和动力学分析外，还可作为虚拟样机分析的二次开发平台，供用户进还可作为虚拟样机分析的二次开发平台，供用户进行特殊功能样机的开发。行特殊功能样机的开发。软件提供零件库、约束库和力库等建模模块，将拉软件提供零件库、约束库和力库等建模模块，将拉格朗日乘子法作为其求解器，由基本模块、接口模格朗日
5、乘子法作为其求解器，由基本模块、接口模块、扩展模块、专业领域模块和工具箱组成。块、扩展模块、专业领域模块和工具箱组成。10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件2. Matlab软件软件Matlab用于数值分析、矩阵计算、算法开发、数据分析、用于数值分析、矩阵计算、算法开发、数据分析、非线性动态系统的建模与仿真等非线性动态系统的建模与仿真等，主要包括主要包括Matlab和和Simulink两大部分。两大部分。主要应用主要应用：工程计算；数学、统计与优化；测试与测量；工程计算；数学、统计与优化；测试与测量；图像与声音处理；信号检测、处理与通信；控制系统设计图像与声音处理；信号检测、处理与通信
6、；控制系统设计与分析；模型预测和金融分析等领域。与分析；模型预测和金融分析等领域。Simulink模块是模块是Matlab软件的扩展，能实现系统可视化建软件的扩展，能实现系统可视化建模、动态仿真和分析模、动态仿真和分析。10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件3. Advisor软件软件Advisor即高级车辆仿真器（即高级车辆仿真器（Advanced Vehicle Simulator），由美国能源部（），由美国能源部（DOE）为管理混合动力驱）为管理混合动力驱动系统开发，基于动系统开发，基于Matlab/Simulink环境环境运行。运行。可用于分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车
7、的动力可用于分析传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的动力性、燃油经济性以及排放性等性能。性、燃油经济性以及排放性等性能。提供整车、离合器、发动机、变速器、主减速器、车轴、提供整车、离合器、发动机、变速器、主减速器、车轴、车轮、变速器、道路循环和机械负载等模块。车轮、变速器、道路循环和机械负载等模块。10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件4. Cruise软件软件Cruise软件采用模块化的建模方法，可以搭建和仿真任何软件采用模块化的建模方法，可以搭建和仿真任何一种配置的汽车系统。一种配置的汽车系统。可用于汽车开发过程中的动力系统、控制系统、传动系统、可用于汽车开发过程中的动力系统、控制
8、系统、传动系统、排放系统开发，汽车性能预测、整车仿真计算以及控制参排放系统开发，汽车性能预测、整车仿真计算以及控制参数和驾驶性能的优化；可实现发动机、轮胎、电动机、变数和驾驶性能的优化；可实现发动机、轮胎、电动机、变速箱等部件的选型及其与车辆的匹配优化。速箱等部件的选型及其与车辆的匹配优化。与与Matlab/Simulink模块有接口，可以实现联合仿真。模块有接口，可以实现联合仿真。10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件5. MSC.Fatigue软件软件MSC.Fatigue是由是由Ncode和和MSC公司合作开发的公司合作开发的疲劳寿命有限元分析软件疲劳寿命有限元分析软件，在产品生
9、产制造之前在产品生产制造之前进行疲劳寿命分析，可极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命分析，可极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额费用进行疲劳寿命测试所带来的巨额费用。可用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、振可用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、振动疲劳分析、电焊疲劳分析、疲劳优化设计、多动疲劳分析、电焊疲劳分析、疲劳优化设计、多轴疲劳分析和应力寿命分析等轴疲劳分析和应力寿命分析等。10.1.3 虚拟试验常用软件虚拟试验常用软件6. nSoft软件软件nSoft是由是由nCode公司开发的一套专门为解决工程公司开发的一套专门为解决工程系统疲劳问题的软件，主要由数据分析、数据显系统
10、疲劳问题的软件，主要由数据分析、数据显示、疲劳分析等模块组成，其功能涵盖了数据采示、疲劳分析等模块组成，其功能涵盖了数据采集、疲劳分析以及实验室疲劳模拟三个工程疲劳集、疲劳分析以及实验室疲劳模拟三个工程疲劳设计的主要领域。设计的主要领域。主要应用于汽车、铁路、能源、国防等工业领域。主要应用于汽车、铁路、能源、国防等工业领域。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验10.2.2 碰撞安全性虚拟试验碰撞安全性虚拟试验10.2.3 汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验1.动力性与经济性虚拟试验动力性与
11、经济性虚拟试验汽车的动力性和燃油经济性对汽车的运输效率汽车的动力性和燃油经济性对汽车的运输效率和运输成本具有直接的影响。传统试验方法受和运输成本具有直接的影响。传统试验方法受外界因素影响较大。外界因素影响较大。采用虚拟试验技术，具有使用方便、快捷、重采用虚拟试验技术，具有使用方便、快捷、重复性强等优点，能消除实车试验中驾驶员、气复性强等优点，能消除实车试验中驾驶员、气候条件和道路环境等外界因素对试验的影响。候条件和道路环境等外界因素对试验的影响。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验1.动力性与经济性虚拟试验动力性与经济性虚拟试验基于基于Cruise软件的动力性与经济性
12、虚拟试验步骤软件的动力性与经济性虚拟试验步骤：（1）整车仿真模型的建立整车仿真模型的建立：结构模型的建立结构模型的建立各模块参数的输入各模块参数的输入仿真计算模式的选择仿真计算模式的选择（2）动力性与经济性虚拟试验实现动力性与经济性虚拟试验实现（3）试验验证试验验证10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验2.制动性虚拟试验制动性虚拟试验目前，汽车制动性能虚拟试验主要是由目前，汽车制动性能虚拟试验主要是由Adams软件软件和和Matlab软件联合仿真来实现。软件联合仿真来实现。通常在通常在Adams/View模块或在模块或在Adams/Car模块中建模块中建立多自由度的整车
13、仿真模型，在立多自由度的整车仿真模型，在Matlab/Simulink模模块中建立防抱死制动系统块中建立防抱死制动系统ABS的控制模型，然后将的控制模型，然后将ABS控制模型的仿真数据文件导入到控制模型的仿真数据文件导入到Adams软件中软件中进行整车多体系统动力学仿真。进行整车多体系统动力学仿真。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验2.制动性虚拟试验制动性虚拟试验基于基于Cruise软件的动力性与经济性虚拟试验步骤软件的动力性与经济性虚拟试验步骤：（1）整车仿真模型的建立整车仿真模型的建立（2）制动性能虚拟试验实现制动性能虚拟试验实现： 直线制动和转弯制动虚拟试验直
14、线制动和转弯制动虚拟试验 防抱死制动系统（防抱死制动系统（ABS）虚拟试验）虚拟试验（3）试验验证试验验证10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚拟试验汽车操纵稳定性虚拟试验是用汽车动力学分析汽车操纵稳定性虚拟试验是用汽车动力学分析数据驱动虚拟环境中的汽车模型，将其在试验数据驱动虚拟环境中的汽车模型，将其在试验过程中各种状态变化映射到计算机屏幕上，借过程中各种状态变化映射到计算机屏幕上，借助于虚拟现实技术的交互手段，使研究人员产助于虚拟现实技术的交互手段，使研究人员产生生“身临其境身临其境”的感觉，体验车辆在各种工况的感觉，体验车辆在各种
15、工况下的性能，并对其进行评价。下的性能，并对其进行评价。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚拟试验（1）操纵稳定性虚拟试验系统的构成操纵稳定性虚拟试验系统的构成汽车操纵稳定性虚拟试验系统流程汽车操纵稳定性虚拟试验系统流程10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚拟试验（2）汽车动力学模型汽车动力学模型是虚拟试验系统中的关键部分是虚拟试验系统中的关键部分，要考虑尽可能多的自要考虑尽可能多的自由度建立整车模型。由度建立整车模型。可利用多体系统动力学软件可利用多体系统动力学软件Adams
16、/Car，采用参数化，采用参数化建模方法建立汽车操纵稳定性的动力学模型。将整车建模方法建立汽车操纵稳定性的动力学模型。将整车分为分为多个子多个子模块分别建立虚拟样机模型，再将模块分别建立虚拟样机模型，再将其其装配装配成整车模型，建立整车动力学分析模型。成整车模型，建立整车动力学分析模型。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚拟试验（3）汽车实体模型汽车实体模型实体结构建模就是赋予汽车模型三维实体结构、实体结构建模就是赋予汽车模型三维实体结构、材质、颜色等外观特征。材质、颜色等外观特征。采用采用3DMax或其他或其他CAD软件建立汽车整车
17、和部件软件建立汽车整车和部件的三维实体模型。的三维实体模型。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚拟试验（4）虚拟试验场模型虚拟试验场模型虚拟试验场是与用户最直接的接触部分。虚拟试验场是与用户最直接的接触部分。对场景进行光照、雾化、纹理映射等描述，可以对场景进行光照、雾化、纹理映射等描述，可以形成较好的视觉感受。形成较好的视觉感受。虚拟场景主要包括两部分：一是虚拟汽车模型；虚拟场景主要包括两部分：一是虚拟汽车模型；二是路面模型。二是路面模型。10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验3.操纵稳定性虚拟试验操纵稳定性虚
18、拟试验（5）汽车操纵稳定性虚拟试验汽车操纵稳定性虚拟试验汽车操纵稳定性虚拟试验基本原理及数据映射流程汽车操纵稳定性虚拟试验基本原理及数据映射流程10.2.1 汽车主要使用性能虚拟试验汽车主要使用性能虚拟试验4.平顺性虚拟试验平顺性虚拟试验建立包括乘员在内的试验汽车的三维实体模型；建立包括乘员在内的试验汽车的三维实体模型；建立虚拟试验场的场景模型，场景模型的范围的大小建立虚拟试验场的场景模型，场景模型的范围的大小要满足试验车辆行驶距离的要求；要满足试验车辆行驶距离的要求；获取平顺性的动力学数据；获取平顺性的动力学数据；在虚拟试验开发平台上对虚拟试验的各种资源进行编在虚拟试验开发平台上对虚拟试验的
19、各种资源进行编程调用，实现车辆平顺性的虚拟再现；程调用，实现车辆平顺性的虚拟再现；显示汽车平顺性试验数据，考察指标，评价性能。显示汽车平顺性试验数据，考察指标，评价性能。10.2.2 碰撞安全性虚拟试验碰撞安全性虚拟试验汽车碰撞安全性虚拟试验结合了结构力学、运动汽车碰撞安全性虚拟试验结合了结构力学、运动学、工程力学和计算数学等学科的先进技术学、工程力学和计算数学等学科的先进技术。可以避免实车试验成本高、时间长的缺点，还可可以避免实车试验成本高、时间长的缺点，还可以逼真地反映试验过程。以逼真地反映试验过程。2001年美国年美国ETA公司开发出了虚拟试验场软件公司开发出了虚拟试验场软件VPG（Vi
20、rtual Proving Ground），是典型的汽车，是典型的汽车碰撞安全性虚拟试验软件包。碰撞安全性虚拟试验软件包。10.2.2 碰撞安全性虚拟试验碰撞安全性虚拟试验1. 碰撞安全性虚拟试验研究内容碰撞安全性虚拟试验研究内容：（1）汽车零部件碰撞模拟汽车零部件碰撞模拟（2）汽车结构耐撞性模拟汽车结构耐撞性模拟（3）整车碰撞安全性模拟整车碰撞安全性模拟（4）行人保护行人保护10.2.2 碰撞安全性虚拟试验碰撞安全性虚拟试验2. 碰撞安全性虚拟试验的实施碰撞安全性虚拟试验的实施：（1）开发虚拟原型开发虚拟原型创建被测汽车的有限元模型创建被测汽车的有限元模型建立假人的有限元模型建立假人的有限元
21、模型（2）建立汽车碰撞虚拟试验场建立汽车碰撞虚拟试验场（3）在虚拟试验场中调用各种虚拟原型在虚拟试验场中调用各种虚拟原型10.2.3 汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验目前，用于评价汽车零部件疲劳寿命的方法主要目前，用于评价汽车零部件疲劳寿命的方法主要是台架试验和道路耐久性试验，试验周期长、耗是台架试验和道路耐久性试验，试验周期长、耗费大、安全性低且易受试验方案影响。费大、安全性低且易受试验方案影响。汽车零部件疲劳寿命虚拟试验现已发展为在样车汽车零部件疲劳寿命虚拟试验现已发展为在样车制造前就对零部件进行疲劳寿命分析并以此来修制造前就对零部件进行疲劳寿命分析并以此来修正设计方案
22、，大大缩短产品研制周期，避免了设正设计方案，大大缩短产品研制周期，避免了设计不合理引起的浪费。计不合理引起的浪费。10.2.3 汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件的结构疲劳破坏是其主要失效形式，汽车零部件的结构疲劳破坏是其主要失效形式，结构的疲劳寿命和疲劳强度是实现结构强度校核结构的疲劳寿命和疲劳强度是实现结构强度校核和抗疲劳设计的重要内容。和抗疲劳设计的重要内容。适用于汽车零部件疲劳寿命的虚拟试验软件适用于汽车零部件疲劳寿命的虚拟试验软件包括：包括：MSC.Fatigue软件、软件、nSoft软件和软件和Ansys/FE-safe模模块。块。疲劳寿命分析由材料疲劳
23、行为的描述、循环载荷疲劳寿命分析由材料疲劳行为的描述、循环载荷下的结构响应和疲劳累计损伤法则组成：下的结构响应和疲劳累计损伤法则组成：采用有限元模态分析可以得到材料疲劳行为的描述；采用有限元模态分析可以得到材料疲劳行为的描述；应用动力学分析可以得到循环载荷下的结构响应；应用动力学分析可以得到循环载荷下的结构响应；要进行疲劳损伤方面的分析就要用到疲劳分析软件。要进行疲劳损伤方面的分析就要用到疲劳分析软件。10.2.3 汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验10.2.3 汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验汽车零部件疲劳寿命虚拟试验流程：汽车零部件疲劳寿命虚拟试验流程
24、：首先根据设计图建立零部件的三维实体模型，将其导入首先根据设计图建立零部件的三维实体模型，将其导入到有限元前处理软件中进行有限元网格划分，生成模态到有限元前处理软件中进行有限元网格划分，生成模态分析软件所识别的数据文件；分析软件所识别的数据文件；然后采用模态分析软件计算得到模态模型；然后采用模态分析软件计算得到模态模型；接着在多体动力学软件中对模型进行动力学仿真；接着在多体动力学软件中对模型进行动力学仿真；最后在疲劳分析软件中读取多体动力学软件导出的文件，最后在疲劳分析软件中读取多体动力学软件导出的文件，对零部件进行疲劳寿命分析。对零部件进行疲劳寿命分析。复习思考题复习思考题1. 汽车虚拟试验的目的和意义是什么？汽车虚拟试验的目的和意义是什么？2. 虚拟试验的特点是什么？虚拟试验的特点是什么？3. 虚拟试验技术在汽车工程领域有哪些应用？虚拟试验技术在汽车工程领域有哪些应用？4. 碰撞安全性虚拟试验研究内容主要有哪些？碰撞安全性虚拟试验研究内容主要有哪些？
