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一 仿真簡介 1 1 仿真的概念 仿真是以相似性原理 控制論 信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ) 以計算機和各種專用物理設(shè)備為工具 借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進行試驗研究 的一門綜合性技術(shù) 計算機仿真可以用于研制產(chǎn)品或設(shè)計系統(tǒng)的全過程中 包 括方案論證 技術(shù)指標確定 設(shè)計分析 生產(chǎn)制造 試驗測試 維護訓練 故 障處理等各個階段 如訓練飛行員 宇航員仿真工作臺和仿真機艙等 1 2 仿真三要素 系統(tǒng) 研究的對象 模型 系統(tǒng)的抽象 和計算機 工具與手段 聯(lián)系著他 們的三項基本活動是模型建立 仿真模型建立 又稱二次建模 和仿真試驗 二 汽車仿真力學角度分析 在現(xiàn)代汽車企業(yè)的競爭中 產(chǎn)品的質(zhì)量 成本和投放市場的周期是最核心 競爭力的體現(xiàn) 汽車仿真技術(shù)在汽車開發(fā)中的作用也主要體現(xiàn)在這 3 個方面 汽車仿真分析從力學角度來分主要有 整車疲勞壽命分析 整車系統(tǒng)動力學分 析 整車系統(tǒng) NVH 分析 碰撞模擬和乘員保護 汽車外流場的空氣動力學分析 等 2 1 疲勞壽命分析 結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是其主要的失效形式 因此結(jié)構(gòu)的疲勞強度和疲勞壽命是 其強度和可靠性研究的主要內(nèi)容之一 汽車疲勞壽命分析主要研究汽車整車及 各部件的動 靜疲勞壽命 它有以下 4 種分析方法 1 根據(jù) S N 曲線進行總壽命評價分析是最傳統(tǒng)的總壽命分析方法 這種方 法對裂紋的產(chǎn)生和擴展不加以明確區(qū)分 能夠預測到有較大的損傷和破壞后的 總壽命 當然 這種方法也能夠?qū)Σ牧显谝幌盗醒h(huán)載荷作用下各部位的損傷 度 剩余壽命進行評價 2 根據(jù) E N 曲線進行萌生壽命分析是所謂的裂紋萌生分析法 它根據(jù)關(guān)鍵 點的應變來預測疲勞壽命 這個方法一般用于對整個結(jié)構(gòu)的安全可能造成致命 危險的高應變區(qū)域 3 根據(jù)線彈性破壞力學進行裂紋擴展分析是一種建立在線彈性破壞力學 LEFM 理論基礎(chǔ)上的預測裂紋擴展的方法 一般適用于結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計 4 疲勞壽命靈敏度分析及優(yōu)化可對不同材料 焊接類型 載荷大小 各種 修正法 耐久性可靠度 表面加工處理 殘余應力 應力集中等設(shè)計因素進行 靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計 通常 一個疲勞分析可分為 4 個階段 材料特性 構(gòu)件疲勞試驗 載荷歷 史確定和分析方法 分析方法把前 3 個測量階段組合起來并得出壽命預計 第 5 個階段可以對構(gòu)件壽命預計與測量的疲勞壽命值進行此較 2 2 系統(tǒng)動力學分析 汽車系統(tǒng)動力學分析主要研究汽車的行駛性 操縱性等 通常采用多體 多 剛體 多柔體 系統(tǒng)動力學分析方法 在研究過程中需要處理如下基本問題 1 坐標系選擇問題 相對坐標法是目前常用的方法 它的特點是每個體上 固結(jié)一個局部坐標系 絕對坐標法則用統(tǒng)一的坐標系表示整個系統(tǒng)的狀態(tài) 它 的計算效率低 較少采用 2 柔性體離散化問題 柔性體本質(zhì)上是無限自由度系統(tǒng) 為適應計算機數(shù) 值計算的要求 必須對柔性體進行離散化 常用方法有 假設(shè)模態(tài)法 有限段 方法 有限元方法等 有限元法與模態(tài)分析相結(jié)合是常用的方法 該方法將系 統(tǒng)的物理坐標變換為模態(tài)坐標 從而大大降低了系統(tǒng)的自由度數(shù)目 3 建模方法選擇問題 建模方法主要有 Newton Euler N E 方程 矢量力 學方程 可對隔離體建立動力學方程 Lagrange 方程 分析力學方程 它從 系統(tǒng)的能量角度入手建立動力學方程 Kane 方程 它兼有矢量力學和分析力學 的特點 各種動力學原理與方程具有等效性 通常采用有限元 假設(shè)模態(tài) 校 正模態(tài) 奇異擾動等方法獲得柔性體動力學有限維逼近的坐標基 聯(lián)同關(guān)節(jié)變 量作為廣義坐標 通過 Lagrange 方程或變分原理導出動力學方程組 4 動力學方程數(shù)值算法問題 多體系統(tǒng)動力學方程的系數(shù)矩陣為高度非線 性 其初始條件或參數(shù)的微小變化或因計算誤差的積累都有可能導致仿真結(jié)果 的較大偏差甚至發(fā)散 針對上述問題的理論研究至今進展不大 目前人們在仿 真時還都是采用傳統(tǒng)的數(shù)值積分方法 如 四階 Runge Kutta 法 Gear 法 Newmark 法等 2 3 NVH 分析 汽車 NVH 分析的方法主要有 1 多體系統(tǒng)動力學方法主要應用于底盤懸架系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)低頻范圍 的建模與分析 2 有限元方法 一方面 適用于車身結(jié)構(gòu)振動 車室內(nèi)部空腔噪聲的建模 分析 另一方面 與多體系統(tǒng)動力學方法結(jié)合來分析汽車底盤系統(tǒng)的動力學特 性 效率能大大提高 常見的有限元計算方法是由變分法和加權(quán)余量法發(fā)展而 來的里茲法和伽遼金法 最小二乘法等 3 邊界元方法與有限元方法相比 能方便地處理無界區(qū)域問題 但計算速 度較慢 此法在處理車室內(nèi)吸聲材料建模方面具有獨特的優(yōu)點 它與有限元方 法都較適合于中 低頻范圍 4 統(tǒng)計能量分析方法對于中 高頻 300Hz 以上 的汽車 NVH 特性預測 如 果采用 FEM 建立模型 將大大增加工作量而且準確度并不高 此時采用 SAE 方 法是比較合理的 統(tǒng)計能量分析方法可快速 準確地模擬中高頻段聲學特性 2 4 碰撞模擬和乘員保護 汽車碰撞安全標準中包含 5 個方面的內(nèi)容 即 前撞 后撞 側(cè)撞 頂部 壓垮和側(cè)門強度 汽車碰撞仿真主要進行車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究 碰撞生物力 學研究和乘員約束系統(tǒng)及安全內(nèi)飾件研究 車身結(jié)構(gòu)的耐撞性主要研究汽車 特別是轎車車身對碰撞能量的吸收特性 尋求改善車身結(jié)構(gòu)抗撞性的方法 在保證乘員安全空間的前提下 使車身變形 的碰撞能量最大 從而使傳遞給車內(nèi)乘員的碰撞能量降低到最小 目前 車身 結(jié)構(gòu)的耐撞性研究通常采用實車碰撞和計算機仿真相結(jié)合的方法 仿真汽車結(jié) 構(gòu)模型包括 完整的白車身 包括前后風窗 保險杠系統(tǒng) 包括低速吸能系統(tǒng) 門 帶玻璃 發(fā)動機 傳動系統(tǒng)和固定零部件 排放系統(tǒng) 懸掛系統(tǒng) 輪胎模 型等 碰撞生物力學主要研究人體在不同形式的碰撞中的傷害機理 人體各部位 的傷害極限 人體各部位對碰撞載荷的機械響應特性以及碰撞實驗用人體替代 物 仿真模型包括各種百分位的假人模型和一系列撞擊器模型 如頭部 腿部 及胸部撞擊器模型等 乘員約束系統(tǒng)及安全內(nèi)飾件研究目的是盡量避免人體與 內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞 內(nèi)飾件的研究則是使人體與之發(fā)生二次碰撞時 對人體 造成的傷害最小 乘員約束系統(tǒng)包括駕駛員座椅系統(tǒng) 假人模型 安全帶 安全氣囊等 假 人模型必須經(jīng)過標定 安全帶是乘員保護系統(tǒng)中最早采用的裝備 其設(shè)計宗旨 是在車輛發(fā)生前撞及翻滾時約束人體相對車輛的運動 對保護乘員有顯著效果 安全氣囊是另一種常見的乘員保護設(shè)備 它與安全帶的合理匹配可對乘員進行 有效保護 安全座椅 吸能式方向盤 軟化的內(nèi)飾件等對于緩沖二次碰撞以減 少對人體的沖擊具有重要作用 乘員損傷評估標準主要包括 頭部和胸部的加 速度 腳踏板的前移量用來評價膝蓋的損傷 目前 碰撞仿真分析方法主要有有限元方法 多體系統(tǒng)動力學方法和機械 振動學方法 有限元法的優(yōu)點在于能真實描述結(jié)構(gòu)的變形 適用于建立汽車結(jié) 構(gòu)模型以及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學模型 顯式有限元方法為汽車碰撞仿真最 常用的有限元方法 多剛體系統(tǒng)動力學方法的突出優(yōu)點是模型簡單 表述規(guī)范 編程方便 運 算快捷 機械振動學方法可以彌補多剛體系統(tǒng)動力學方法不能研究可變形體響應的 不足 它是根據(jù)碰撞過程中汽車的實際變形情況將汽車離散為一個非線性彈簧 質(zhì)量振動系統(tǒng) 通過事先測定系統(tǒng)中彈性元件的非線性抗力特性 利用機械振 動學的方法來求解碰撞系統(tǒng)響應的 程序短小 簡明 能夠考慮變形體的彈塑 性變形特性是該方法的基本優(yōu)點 而且從理論上說 它與多剛體系統(tǒng)動力學方 法的有機結(jié)合 能夠解決汽車碰撞分析中幾乎所有的響應問題 但由于抗力元 件的非線性特性必須預先測定 同時又要保證所測得的特性恰恰是構(gòu)件在真實 碰撞中的力 變形特性 這樣 在測試時 就必須精心模擬構(gòu)件在碰撞中可能出 現(xiàn)的各種可能的約束條件 而汽車碰撞中的有些接觸約束條件事先是無法知道 的 這就大大增加了測試的難度 近年來汽車碰撞仿真技術(shù)的發(fā)展方向是 提高仿真運算速度 它是汽車碰 撞仿真技術(shù)發(fā)展的核心 發(fā)展新的人體模型模擬技術(shù) 尋求接觸搜尋新算法 研究降階積分新技術(shù) 2 5 汽車外流場空氣動力學分析 當車速小于 350km h 時 流體的壓縮性可忽略 描述汽車流場的流體動力 學基本方程組為三維 不可壓縮 非定常 N S 方程組 可用線性或非線性方法 進行求解 有限差分法 FDM 有限元法 FEM 和有限體積法 FVM 為求解非線性 Euler 和 N S 方程組的 3 種主要數(shù)值格式 FM 是一種介于 FDM 和 FEM 之間的離散方法 兼有兩者的優(yōu)點 在汽車空氣動力學數(shù)值仿真中得到了廣泛應用 近年來汽車外流場空氣動力學分析主要發(fā)展方向是 PFV 方法在該領(lǐng)域的 應用 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或計算流體動力學 CFD 方法進行汽車高速行駛時的氣 動噪聲分析 分析汽車高速行駛時空氣流場對操縱穩(wěn)定性的影響 三 結(jié)構(gòu)仿真分析在汽車上的應用 現(xiàn)代設(shè)計理論和方法 特別是其中的計算機輔助分析技術(shù)的運用使汽車結(jié) 構(gòu)的分析水平有了質(zhì)的飛躍 有限元法問世以來很快就在車輛系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域得 到了應用 結(jié)構(gòu)仿真分析已經(jīng)涵蓋了從小到橡膠墊片 大到整車的所有重要系 統(tǒng)和零部件 應用以數(shù)值分析為核心的計算方法和程序 汽車的 CAE 能夠完成靜力分析 振動噪聲分析 流體動力學分析 機構(gòu)動力學分析和虛擬樣機 可靠性分析 安全性分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等產(chǎn)品設(shè)計的重要工作環(huán)節(jié) 對于較為傳統(tǒng)的有限 元分析內(nèi)容 即結(jié)構(gòu)靜力強度分析 溫度場分析 較為簡單的流場分析 振動 分析 發(fā)達國家的應用技術(shù)已經(jīng)十分成熟 除有限元以外 其它數(shù)值分析方法 也得到了不同程度的應用 相對來講沒有達到有限元法理論 方法和應用工具 的成熟程度 80 年代后 國外普遍用有限元法進行復雜工程問題的分析 尤其 是零部件靜力結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)十分普及 有代表性的國外著名研究機構(gòu)和公司如 奧地利 AVL 英國 Ricardo 美國的 SWRI U S ATAC GM Ford Cummins 日 本的 Nissan Toyota Honda 德國的 Benz Deutz Volkswagen 3 1 靜力剛強度仿真分析 結(jié)構(gòu)強度分析是汽車結(jié)構(gòu)功能及可靠性設(shè)計中所關(guān)心的最基本問題 因此 結(jié)構(gòu)靜力計算機數(shù)值分析是最早開始進人工程應用的內(nèi)容 也是目前最為成 熟的仿真應用領(lǐng)域之一 國外用有限元法對汽車中復雜結(jié)構(gòu)件進行強度分析始于 70 年代 初期只 是針對結(jié)構(gòu)及力學模型較為簡單的零件進行分析 分析規(guī)模較小 早期的汽車 零部件結(jié)構(gòu)分析受計算工具的限制 一般分析對象結(jié)構(gòu)簡單 采用簡化的模型 一般用來計算平面應力和軸對稱等二維模型問題 像連桿 活塞等 有限元 模型采用 試驗一計算 結(jié)果對比的模式進行多次試算 分析計算結(jié)果可信度 低 這些早期的工作為基于數(shù)值仿真的結(jié)構(gòu)分析的進一步發(fā)展進行了有益的探 索 由于有限元法中的一般均勻材料實體單元應用于靜力分析的理論和程序已 經(jīng)相當成熟 因此工程應用中有限元分析主要關(guān)心的問題是模型建立的合理性 與易用性 其中 復雜結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格生成方法 網(wǎng)格質(zhì)量檢查方法和準則 自適應網(wǎng)格修正是分析幾何模型的核心問題 邊界描述的可表達性 邊界條 件施加的精確性是模型力學條件的核心問題 隨著商品化軟件的發(fā)展和汽車結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗的不斷積累 對零部件的靜力 分析已經(jīng)成為十分成熟的手段 在應用方法上值得研究的主要是復雜非線性 復雜組合結(jié)構(gòu) 多物理場耦合效應等靜力分析 國內(nèi)應用有限元法進行動力裝置結(jié)構(gòu)靜力分析始于 80 年代 對于典型復 雜零件如柴油機缸蓋 柴油機機體等進行了結(jié)構(gòu)分析 從 80 年代后期開始 對零件的有限元靜力分析成為高校和研究所重視的普及技術(shù) 90 年代中期成為 產(chǎn)品設(shè)計中的普遍采用的手段 國內(nèi)外對軍用車輛動力 傳動系主要零部件的結(jié)構(gòu)強度分析進行了大量的 研究 國內(nèi)有北京理工大學 吉林工業(yè)大學 北方車輛研究所等單位較早地開 展了車輛零部件結(jié)構(gòu)靜力剛強度的研究工作 涉及到幾乎所有的主要零部件 3 2 結(jié)構(gòu)動態(tài)特性仿真分析 車輛動力傳動系統(tǒng)是一個典型的復雜動態(tài)機械系統(tǒng) 其振動形態(tài)復雜 振 源多種多樣 需要研究的領(lǐng)域廣 從 70 年代后期開始 國外將基于有限元分析的計算機動力學仿真應用于 該領(lǐng)域 其中動響應分析是研究的熱點之一 基于動力學性能預測是進行結(jié)構(gòu) 動態(tài)設(shè)計的基本條件 對于汽車總體方案或零部件設(shè)計中提高整體性能起到十 分重要的作用 這些研究包括軸系振動特性研究 箱體類模態(tài)及動力響應 葉 片類動響應性質(zhì) 復雜總體結(jié)構(gòu)動力學特性等 零部件的動態(tài)特性研究在計算方法 計算精度圖 3 戴姆勒 克萊斯勒公司 用于振動分析的動力總成模型等方面的研究上取得了很大進步 主要表現(xiàn)在 1 多學科 多種數(shù)值求解方法的綜合應用 如振動與噪聲分析 基于動響應的 疲勞可靠性分析 以及軸承潤滑分析等等 其領(lǐng)域涉及位移應力場 聲場 流 場等的耦合作用 采用的數(shù)值分析方法包括有限元法 有限差分法 邊界元法 多體系統(tǒng)仿真等 2 注重新方法和規(guī)范分析流程并不斷完善 國內(nèi)從 80 年代中期開始進行汽車主要零部件的結(jié)構(gòu)動力學特性研究 早 期典型研究是吉林工業(yè)大學 1985 年用有限元法對發(fā)動機機體進行自由模態(tài)分 析并由計算的振型進行結(jié)構(gòu)設(shè)計修改 90 年代以來國內(nèi)在汽車結(jié)構(gòu)的特性研究 中的研究文獻較多 如有基于零部件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和瞬態(tài)響應分析 基于總 體的動態(tài)特性分析 90 年代后期以來 在汽車結(jié)構(gòu)模態(tài)和動力響應分析方面取 得很大發(fā)展 如北京理工大學在基于總體結(jié)構(gòu)的振動與噪聲分析方面進行了一 系列研究 圖 4 為對某型號的動力傳動組合結(jié)構(gòu)進行的模態(tài)分析 3 3 仿真工具軟件 目前 能夠支持車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真的商業(yè)化軟件多種多樣 許多軟件已經(jīng) 達到很完善的程度 結(jié)構(gòu)強度分析類軟件主要有 NASTRAN ANSYSABAQUS MARC PATRAN DYNA3D 等 機械系統(tǒng)多體動力學仿真類軟件主要有 ADAMS SIMPAC K DADS 等 通用機械 CAD CAE 軟件主要有 I DEAS UG PRO ENGINEER CATI A 等 另外 世界上各大汽車公司也都紛紛開發(fā)出了自己的車輛系統(tǒng)仿真工具 如 Ford 公司的 DYN MOD GM 公司的 GPSIM 和 DRIVESIM Caterpillar 公司的 E NTERPRISE 等 這些公司利用這些仿真工具加速了產(chǎn)品的研發(fā) 國內(nèi)車輛系統(tǒng)方面的仿真工具的開發(fā)與國外差距很大 基本上是應用國外 先進的軟件 根據(jù)本領(lǐng)域的研究需要 進行一定程度的二次開發(fā) 尚沒有較為 理想的應用軟件系統(tǒng) 四 汽車仿真技術(shù)展望 汽車結(jié)構(gòu)仿真分析模型由線性模型發(fā)展到非線性 由簡單的靜態(tài)分析發(fā)展 到動態(tài)分析 由某一單獨零件或零件的某一局部發(fā)展到整體組合結(jié)構(gòu)的分析 由單一物理場發(fā)展到多個物理場耦合分析 仿真分析的精度也在不斷提高 從所考慮工況的角度看 對車輛主要零部件結(jié)構(gòu)分析逐漸由單一的產(chǎn)品工 作狀況分析變?yōu)榭紤]制造 裝配等工藝參數(shù)的產(chǎn)品全生命周期的分析 以往基 于數(shù)值分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)強度分析 主要是進行結(jié)構(gòu)可行性進行評價為主導 現(xiàn) 在的發(fā)展趨勢是以對結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測為主導 此外 隨著 CAD CAE 集成軟件發(fā)展和優(yōu)化理論的進一步實用化 依賴先進 前處理技術(shù)和高配置硬件設(shè)備 汽車上復雜零部件的數(shù)值仿真分析開始逐步應 用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 結(jié) 論 綜上所述 汽車仿真技術(shù)的力學問題是一個重要的研究領(lǐng)域 了解它們的 研究內(nèi)容 分析方法 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有利于我們更好地把握這一領(lǐng)域 從而 更好地為汽車的發(fā)展服務 由于仿真技術(shù)的引入 汽車的研究與開發(fā)方法和流程發(fā)生了革命性的變化 伴隨著這一技術(shù)的繼續(xù)深入發(fā)展 汽車產(chǎn)品的研究與開發(fā)終將成為一項系統(tǒng) 的并行工程 每一位汽車技術(shù)工作者都將面臨這一機遇和挑戰(zhàn)