基于虛擬技術(shù)的整車試驗(yàn)研究及應(yīng)用

吳艷新　李杰成　葉科

摘 要：整車試驗(yàn)是確保產(chǎn)品疲勞壽命的必要手段，也是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效方案之一。提前預(yù)測疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的位置及不同設(shè)計(jì)所造成的疲勞壽命差異，能大大節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本及時(shí)間，建立虛擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)能力能在一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)運(yùn)用。本文詳細(xì)地對(duì)比分析了建立整車虛擬模型各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)、虛擬路面及虛擬環(huán)境的建模方式，基于成本、時(shí)間及可靠性原則清晰地整理出整車虛擬試驗(yàn)建設(shè)的基本思路，確定了整車建模、虛擬路面、虛擬環(huán)境的構(gòu)造方法。研究表明，整車虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見。

關(guān)鍵詞：整車虛擬試驗(yàn)場；整車建模；虛擬路面；虛擬環(huán)境

1 引言

車輛作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，其質(zhì)量需要經(jīng)過多種試驗(yàn)得以保證。其中汽車疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)都是通過先制造樣車后進(jìn)行各類試驗(yàn)，因此汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)早已確定。如遇特殊情況，會(huì)影響汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致汽車開發(fā)周期延長。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平得到提高，新型汽車試驗(yàn)法也得到不斷提高，如虛擬試驗(yàn)場[1]。此方法不需要占用各種資源及任何成本，也能實(shí)現(xiàn)在無樣車情況下進(jìn)行各種場所試驗(yàn)，大大降低了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，也能針對(duì)問題進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因此非常有必要建設(shè)整車虛擬試驗(yàn)場。

目前常用基于ANSYS/LS-DYNA軟件二次開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)——VPG技術(shù)。此法以整車為研究對(duì)象，輸入所需要的車速及模擬道路數(shù)據(jù)，并考慮各種非線性因素，因此疲勞分析精度較高，不過此法在整車彈性體建模精度上存在較大誤差?；贛ultigreen Creator的汽車試驗(yàn)場仿真技術(shù)在三（雙）通道視景建模具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠高逼真還原環(huán)境真實(shí)情況，不過對(duì)于整車耐久性試驗(yàn)并不適用，且較難分析某部件的疲勞程度。以上文獻(xiàn)都能進(jìn)行整車虛擬試驗(yàn)場建設(shè)，但基于ANSYS和Multigreen Creator不能進(jìn)行彈性體建模，而精確的整車模型需要建立彈簧、懸置、橡膠襯套等彈性部件，因此選用實(shí)體辨識(shí)法對(duì)彈性體樣件進(jìn)行性能測試，將真實(shí)性能參數(shù)代入模型進(jìn)行建模[6]。

綜上所述，整車虛擬試驗(yàn)場建設(shè)應(yīng)選用MSC Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立準(zhǔn)確的路面模型、輪胎模型及整車動(dòng)力學(xué)模型，模擬各種工況下動(dòng)力學(xué)分析，提取硬點(diǎn)動(dòng)載荷后對(duì)零部件進(jìn)行疲勞分析，此思路能為下一步虛擬試驗(yàn)場的具體建設(shè)提供思路，見圖1。

2 整車虛擬試驗(yàn)

整車虛擬試驗(yàn)按照功能領(lǐng)域劃分可分為整車耐久、整車性能、整車臺(tái)架、主動(dòng)安全及主動(dòng)駕駛等方面。將以上功能模塊按照?qǐng)D1進(jìn)行能力化分解，總結(jié)出虛擬試驗(yàn)場建設(shè)所需的基礎(chǔ)能力包含有虛擬樣車、虛擬路面和虛擬場景。

2.1 虛擬樣車

要先進(jìn)行整車虛擬試驗(yàn)場實(shí)驗(yàn)，最重要的是建立一部虛擬樣車。樣車整體建模分為懸架模型、白車身模型及非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型三大模塊分別建模。懸架模型中彈性體需要用實(shí)體辨識(shí)法測試真實(shí)樣本特性，將實(shí)際性能參數(shù)代入模型進(jìn)行建模，通過相關(guān)約束構(gòu)成懸架模型。

白車身模型較為復(fù)雜，難以在Adams軟件中生成及網(wǎng)格化，因此必須使用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成白車身模型[7]，見圖2所示。

2.2 虛擬路面

想要對(duì)虛擬樣車進(jìn)行綜合性試驗(yàn)需要試驗(yàn)道路比較全面，應(yīng)該包括強(qiáng)化試驗(yàn)道路、高速環(huán)道、耐久性試驗(yàn)路、ABS制動(dòng)試驗(yàn)路及其他類型路面，同時(shí)要求布局合理。目前主要通過試驗(yàn)場3D掃面進(jìn)行試驗(yàn)場道路信息收集[10]，見圖3。

2.3 虛擬場景

虛擬場景建設(shè)需以下元素構(gòu)成：道路、天空、汽車、草地、樹木等。對(duì)于近景應(yīng)繪制較為精細(xì)且逼真，但是為了優(yōu)化軟件的實(shí)用性，遠(yuǎn)景描述應(yīng)該比較粗劣。對(duì)場景中樹木、草地、標(biāo)志等進(jìn)行繪制，將道路與場景通過一定形式將其整合成符合要求的場景，見圖4。

3 整車試驗(yàn)應(yīng)用

將虛擬樣車、虛擬路面及虛擬場景通過模型整合形成虛擬試驗(yàn)場。輸入動(dòng)力參數(shù)，按照規(guī)定的試驗(yàn)工況行駛進(jìn)行虛擬樣車綜合性試驗(yàn)，見圖5。

在Adams軟件中獲取底盤與車身連接硬點(diǎn)間的動(dòng)載荷分布圖，將各部件所受到的動(dòng)載荷在有限元軟件中進(jìn)行加載，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)約束，進(jìn)行整車零部件疲勞耐久分析，提供解決問題的有效思路，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理設(shè)計(jì)及布局，見圖6。

4 總結(jié)

基于Adams軟件進(jìn)行整車虛擬實(shí)驗(yàn)，得到各零部件間連接處硬點(diǎn)的動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，將分析部件與其動(dòng)載荷數(shù)據(jù)及約束導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞計(jì)算，可為汽車方案修改給與指導(dǎo)性意見，節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本及時(shí)間。此法是建立整車虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳白羁煽康姆椒?，可為下一步搭建整車虛擬實(shí)驗(yàn)場提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)意見。

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