探析計(jì)算機(jī)仿真5種方法在汽車工程中的應(yīng)用

王麗華 高小煥 姚君霞

摘 ?要：計(jì)算機(jī)仿真5種方法包括基于數(shù)值模擬方法的仿真技術(shù)、基于MATKAB/Simulink的仿真技術(shù)、硬件在環(huán)仿真技術(shù)、高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。文章分別研究以上5種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用情況，豐富汽車產(chǎn)品的使用功能、提高汽車運(yùn)行性能，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)優(yōu)越性促進(jìn)汽車工程行業(yè)技術(shù)革新。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);汽車工程;數(shù)值模擬

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0170-02

Abstract： The five methods of computer simulation include simulation technology based on numerical simulation method， simulation technology based on MATKAB/Simulink， hardware-in-the-loop simulation technology， high-level architecture technology and virtual reality technology. This paper studies the application of the above five kinds of computer simulation technology in automobile engineering， enriches the use functions of automobile products， improves the running performance of automobile， and promotes the technical innovation of automobile engineering industry with the help of the superiority of computer simulation technology.

Keywords： computer simulation technology; automobile engineering; numerical simulation

引言

隨生活質(zhì)量及科技水平，消費(fèi)者對于汽車產(chǎn)品的需求更加多樣化。汽車系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、零部件眾多，加上近年來不斷融入的自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)，其研發(fā)設(shè)計(jì)工作體量增加。為了在設(shè)計(jì)階段對汽車的性能、安全、舒適度等進(jìn)行正確的預(yù)估，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來模擬汽車行駛過程中可能遇到的各種環(huán)境和問題。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，并對汽車系統(tǒng)做出優(yōu)化。

1 基于數(shù)值模擬方法的仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

數(shù)值模擬方法通常被用于汽車工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全性能試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)仿真以及虛擬試驗(yàn)場四個(gè)方面。

1.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足產(chǎn)品在強(qiáng)度、性能、使用壽命等方面的要求，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的數(shù)值模擬方法主要是有限元方法和計(jì)算流體力學(xué)法，對汽車結(jié)構(gòu)做最大限度的優(yōu)化。例如，有限元軟件能夠精確計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)，適用范圍廣、分析深度大，通常被用在汽車結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)的模擬分析中?；谟邢拊椒?，最具代表的模擬軟件為SYSNOISE，從軟件的發(fā)展?fàn)顟B(tài)來看，更多的實(shí)踐成果來自汽車內(nèi)部空間噪聲的控制，而在結(jié)構(gòu)噪聲方面，該軟件還處于研究階段[1]。數(shù)值模擬方法的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)內(nèi)全部零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、荷載能力和耐久性，并降低行車過程中車內(nèi)空間的噪音，帶來更加舒適、安全的行車體驗(yàn)。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化還可明顯降低汽車的自重，達(dá)到節(jié)能降耗、降低汽車使用成本的目的。

1.2 在被動(dòng)安全試驗(yàn)中的應(yīng)用

被動(dòng)安全指的是當(dāng)汽車發(fā)生不可避免的事故時(shí)，車內(nèi)人員的安全，可降低事故對人員的傷害程度。被動(dòng)安全屬性的提升需要進(jìn)行大量的碰撞試驗(yàn)，由于每一試驗(yàn)樣本僅可使用1次，必然導(dǎo)致汽車研發(fā)時(shí)間和成本的上升。而利用數(shù)值模擬可在不開展實(shí)體試驗(yàn)的情況下，對各種碰撞情況進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)汽車的被動(dòng)安全。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)展到一定的階段，大致得出最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)或方案時(shí)，再開展實(shí)體驗(yàn)證，從而降低試驗(yàn)成本。在試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)還可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減輕改進(jìn)工作壓力，縮短研發(fā)周期。

1.3 在動(dòng)力學(xué)仿真中的應(yīng)用

在動(dòng)力學(xué)仿真的模擬中，最常用的數(shù)值模擬軟件為Adams，其下設(shè)的Car模塊可在短時(shí)間內(nèi)建立汽車系統(tǒng)模型，可視化動(dòng)力學(xué)仿真研究過程，以得出實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)最佳操控性、穩(wěn)定性和舒適性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.4 在虛擬試驗(yàn)場中的應(yīng)用

在汽車生產(chǎn)行業(yè)，設(shè)有專門的試車場測試汽車產(chǎn)品，例如高速環(huán)形道路、坡道、耐久交變試驗(yàn)道路等，均為汽車試車場的常規(guī)形式，用來檢測汽車的操控性能、耐久性等指標(biāo)。將數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于虛擬試驗(yàn)場中，可實(shí)現(xiàn)對汽車全部性能的仿真化檢驗(yàn)。開展設(shè)計(jì)工作之前，獲取汽車樣本在不同路況中的行車數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)估汽車性能。虛擬試驗(yàn)場技術(shù)的應(yīng)用是汽車工程領(lǐng)域系統(tǒng)分析水平的又一次提升，整車結(jié)構(gòu)、輪胎、連接部件等均可被有效檢測。系統(tǒng)中還設(shè)有減震器、輪胎、安全氣囊等單元的數(shù)據(jù)庫，用于分塊模型的搭建。同時(shí)，虛擬試驗(yàn)場技術(shù)還能對行車荷載進(jìn)行模擬，提供不同標(biāo)準(zhǔn)、形式的試驗(yàn)路面，并進(jìn)行障礙物的設(shè)置，使得汽車的檢驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確和可靠。

2 基于MATKAB/Simulink的仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

MATKAB/Simulink技術(shù)的主要作用是對汽車的總體性能、行駛消耗、結(jié)構(gòu)零部件運(yùn)行質(zhì)量等進(jìn)行預(yù)估，其模擬的系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)化特點(diǎn)，在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、線性及非線性系統(tǒng)等均可使用[2]。該技術(shù)的應(yīng)用對于汽車控制系統(tǒng)的研發(fā)和測試具備重要意義，結(jié)合實(shí)際情況對技術(shù)進(jìn)行搭建和調(diào)整，直觀輸出仿真結(jié)果。依照流動(dòng)方向，可將MATKAB/Simulink仿真技術(shù)劃分成前向和后向仿真。其中，前向仿真的數(shù)據(jù)流和系統(tǒng)能量流同向，從汽車駕駛員的實(shí)際需求出發(fā)，對系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)。例如，駕駛員發(fā)出加速或制動(dòng)信號，前向仿真即可模擬出真實(shí)環(huán)境中汽車各部件的調(diào)整、運(yùn)行情況，給出真實(shí)的汽車系統(tǒng)狀態(tài)及邏輯結(jié)構(gòu)，輔助汽車控制器的設(shè)計(jì)與研發(fā)。而后向仿真中數(shù)據(jù)流與系統(tǒng)能量流反向，可檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性，因此該類型的仿真技術(shù)常被用在能量控制方案的制定中。

3 硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

硬件在環(huán)仿真技術(shù)最開始被應(yīng)用于高檔汽車領(lǐng)域，用來進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和測試。硬件在環(huán)仿真技術(shù)的應(yīng)用原理是，用數(shù)學(xué)模型和描述部分仿真系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)化成仿真計(jì)算模型，其余的部分直接以物理模型的方式引入到仿真回路中，以實(shí)現(xiàn)更逼真的設(shè)備模擬效果。該技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是具備極高的時(shí)效性。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收和發(fā)送傳感器、處理控制器、人機(jī)交互界面、后端仿真平臺(tái)構(gòu)成。信號的輸入和輸出通常連續(xù)進(jìn)行，因此需要將輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。硬件在環(huán)仿真同時(shí)具備物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)，但又沒有兩種仿真技術(shù)的缺陷，通過硬件與軟件之間的轉(zhuǎn)換，對汽車進(jìn)行全車模擬。硬件在環(huán)仿真技術(shù)的應(yīng)用可明顯縮短汽車產(chǎn)品開發(fā)周期，在測試階段，由于不涉及硬件的使用，因此對于研發(fā)成本的控制也非常有利。此外，該技術(shù)的應(yīng)用可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況進(jìn)行調(diào)整，減少出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的可能。硬件在環(huán)仿真技術(shù)可用于汽車子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合性能評價(jià)、功能測試等環(huán)節(jié)。

例如，電氣柴油控制器的測試活動(dòng)，該結(jié)構(gòu)的主要作用是對發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴油量和噴油時(shí)間進(jìn)行控制。將其安裝在汽車系統(tǒng)中之前，需要通過硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證。在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中對進(jìn)入電子柴油控制器的信號進(jìn)行模擬，使用系統(tǒng)硬件完成實(shí)際信號的接收，盡量提升模擬結(jié)果的逼真程度。再以硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用為例。用于汽車檢驗(yàn)的風(fēng)動(dòng)可分為實(shí)體風(fēng)洞、模型風(fēng)洞以及氣候風(fēng)洞三種。將汽車以一定的比例縮小，用于模型風(fēng)洞試驗(yàn)。制作不同比例縮小的汽車內(nèi)、外模型，通過對比、分析、篩選，找出最佳設(shè)計(jì)方案。等模型試驗(yàn)經(jīng)過多次驗(yàn)證且確定合格后，才開始1：1內(nèi)、外模型的制作[3]。

4 高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

高層體系結(jié)構(gòu)虛擬技術(shù)由美國研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與環(huán)境的分離，充分提升技術(shù)的服務(wù)性能。同時(shí)，高層體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的適用程度較高，在汽車工程領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。隨著理論研究的深入，高層體系結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)還被應(yīng)用到無人駕駛汽車、軍事、航空航天等領(lǐng)域。相比較之下，該技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用較少，但呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種較新的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在研發(fā)問世后，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。該技術(shù)可在一定條件下，模擬真實(shí)環(huán)境，通過視覺、聽覺、觸覺等感官活動(dòng)，帶來身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用主要是模擬真實(shí)的駕駛環(huán)境，將數(shù)字化的汽車融合到虛擬出的真實(shí)環(huán)境中，開展汽車的仿真駕駛。過程中，駕駛員可真實(shí)感受汽車行駛過程中的振動(dòng)、氣流、噪音等，模擬各種事故環(huán)境或突發(fā)狀況，研究汽車的安全性。對汽車駕駛中可能遇到的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全方位的模擬，可在有效控制研發(fā)投資的基礎(chǔ)上，挖掘汽車設(shè)計(jì)漏洞，及時(shí)作出修改和調(diào)整，且模擬過程中不存在任何的危險(xiǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可精確完成汽車整體結(jié)構(gòu)或部分構(gòu)成的模擬，利用高速動(dòng)畫呈現(xiàn)試驗(yàn)過程中汽車的各種動(dòng)力反應(yīng)、可操控性、駕駛舒適度、行車安全等情況，對汽車產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能等做全面的分析。

6 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的融合程度受到技術(shù)發(fā)展水平以及汽車構(gòu)造及性能發(fā)展趨勢的限制。目前，仿真技術(shù)在提升汽車綜合性能方面還存在很大的上升空間，結(jié)合汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢研發(fā)更多針對性、縱深性的仿真系統(tǒng)及軟件成為未來一項(xiàng)重點(diǎn)的研究任務(wù)。分析5種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用問題，明確技術(shù)及行業(yè)創(chuàng)新方向，促進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及汽車工程行業(yè)的同時(shí)發(fā)展。

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