汽车数字化开发技术—第六章 汽车虚拟试验

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6.2.3 VTL与VPG
1.虚拟试验室（Virtual Test Lab), 简称VTL，是由 各种软硬件组成的物理试验台的虚拟再现。 2.虚拟试验场技术(Virtual Proving Ground),简称 VPG 技术，即是一个对整车系统性能全面仿真实 用软件的代表。 VTL和VPG技术都是汽车CAE技术领域的新代表。
①加速度传感器检测撞到行人
②ECU收到信号，进行判断，若 速度超过25km/h以上，则发出点 火命令
③发动机盖弹起
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行人安全气囊系统
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5）儿童乘员保护技术
BMW婴儿座椅
BMW儿童座椅（小）
BMW儿童座椅（大）
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6）汽车防撞预警系统
通过雷达、超声波、激光、红外线等检测 手段，测定汽车与障碍物的距离。电脑根 据事先储存的程序，判断出有碰撞的危险 时，向驾驶员发出警报。如果驾驶员未能 及时采取措施，则向制动器、转向器等发 出指令，使制动器制动，或使转向器转弯， 以保证汽车的安全。
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VPG 技术的功能和特点
(4) 计算技术分析内容多样化
• 可以进行疲劳寿命计算、振动噪声分析计算、车辆 碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非 线性分析。 • 同时可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用 来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研 究。
• 国内目前有交通部公路交通试验场、襄樊汽车试验 场和定远国家试验场
7）疲劳驾驶预警系统
• 利用多种传感器，如图像、激光雷达、压力、角 位移传感器等，对上述典型疲劳特征信息进行实 时采集和处理，运用各种信号处理方法提取和识 别驾驶疲劳特征信息， 应用多传感器信息融合理 论，对互补或冗余的疲劳特征信息进行有机融合 ，进而建立疲劳驾驶智能决策模型对驾驶员是否 疲劳驾驶进行准确可靠判断，最后输出报警模块 可将检测结果实时显示，并通过声光报警装置提 醒驾驶员注意行车安全。
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6.3.2汽车碰撞安全仿真的一般过程
第一步写出显式有限元方程； 第二步根据显式有限元方程建立汽车整车有限元模 型； 第三步安置正面碰撞假人模型； 第四步进行各种状况的碰撞安全仿真
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汽车碰撞安全仿真的发展趋势：
1）提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技术 发展的核心； 2）发展新的人体模型模拟技术； 3）寻求接触搜寻新算法； 4）研究降解积分新技术； 5）子循环技术。
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• 心跳速度检测仪：人在打瞌睡之前，心跳速度下降 。 • 头部位置检测仪：通过监视驾驶员在行驶过程中头 部的位移情况来判断其是否在打瞌睡。 • PERCLOS系统：通过分析眼睛的大小和位置，利 用视网膜对不同波长红外光反射能力的不同。 • FaceLAB系统：通过检测驾驶员头部姿态、眼睑运 动、凝视方向、瞳孔直径等特征参量，进行多特征 信息融合，实现对驾驶员疲劳状态的实时监测。 • 转向盘监测系统及车道偏离报警系统DAS2000等。
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VPG 技术的功能和特点
• 模型数据库举例
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VPG 技术的功能和特点
(3) 提供了全面的路面载荷
• VPG软件提供了标准典型的路面模型，是通常整 车试验标准考核路面。例如：交替摆动路面 (alternate roll)、槽形路(pothole tracks)、鹅卵石 路(cobblestone tracks)、大扭曲路(body twist lane)、波纹路(ripple tracks)、搓板路 (washboards)以及比利时石块(belgian block)等。 用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用 任意三维数据构造特定的路面。
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一、VTL虚拟试验室
使用VTL的新车开发过程
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使用VTL时的数据流
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VPG汽车虚拟试验场
• 汽车试验场是由各种试验道路、试验场地、试验室 以及各种辅助建筑等组成的综合性试验设施，用来 确定汽车的结构参数及其基本使用性能:可靠性、 耐久性、坚固性、动力性、制动性、通过性、操纵 性、稳定性、行驶平顺性、安全性和燃料经济性等 等。 • 由于试验场内有些试验路段是模拟车辆的实际使用 工况，使车辆的零部件所产生的典型损坏性能与实 际使用时的情况基本相同，而且能在很短的试验里 程内即可获得试验结果，因此可以大大缩短试验时 间，提高试验效率。
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6.1.3汽车虚拟样车技术
• 指汽车产品设计开发过程中，基于其数字化原型 ，按实车的拓扑结构及其动力学参数，在同一系 统中将汽车各零件部件设计和分析技术融合在计 算机上制造出汽车产品的整体模型，并针对汽车 在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测其 整车或系统性能，进而改进汽车零部件的设计， 以提高其性能的一种新技术。
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三、仿真建模的基本要求
仿真的三个基本要素是系统、模型、计算机 联系着它们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建 立(又称二次建模)、仿真试验
物理系统
数学模型
计算机
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6.1.2汽车数字化仿真
实质：是以计算机仿真技术为手段,在汽车设计 的全生命周期内(包括设计、测试、制造、应用和维 护的全过程)实施仿真、分析与评估。
带扣
（a ） 带有气囊的安全带
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3）汽车侧面碰撞保护技术
奔驰侧面安全气帘
乘员之间独特的安全气囊
侧面安全气囊和气帘
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4）行人碰撞保护技术
智能安全保障系统 发动机盖弹升技术
行人安全气囊系统
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带全力自动刹车的行人探测系统
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发动机盖弹升技术
ECU 致动器（左右） 顶杆 微型气体 发生器 发动机罩 保险杠加速传 感器（3 个）
第6章 汽车虚拟试验
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主要内容及要求
6.1汽车数字化仿真技术
掌握汽车虚拟样车技术概念及内容，了解具体仿真 流程。
6.2汽车虚拟试验
掌握汽车虚拟试验特点和优点，了解常用汽车虚拟 试验技术
6.3汽车碰撞安全仿真
掌握汽车碰撞安全仿真的研究内容、仿真过程，了 解发展趋势
6.4汽车主动安全系统开发
了解“V”字形开发模式以及汽车安全新技术
• 目的：尽量减少物理样机
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6.2.2虚拟试验的优点
(1) 可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产 品试验周期，同时，降低实际试验的费用。 (2) 虚拟试验技术应用与复杂产品的开发中，可以 实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈， 使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。 (3) 虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受 场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放 、再现和重复。
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6.4汽车主动安全系统开发
6.4.1控制器“V”字形开发模式 开发阶段和过程：
1）功能描述及设计 2）原型设计 3）产品级代码生成 4）系统测试及检验 5）系统整合
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“V”形开发模式
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6.4.2汽车安全新技术 1）先进汽车主动安全控制技术
2）智能乘员约束技术
3）汽车侧面碰撞保护技术
4）行人碰撞保护技术
目的：尽可能在产品设计阶段,预测产品在设计 、制造、应用等阶段可能出现的问题,进行全局优化 。
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仿真技术在系统研制中的应用
阶段 应用内容
概念化设计 对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选 择合理的设计方案 设计建模 建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物 理特性是否满意 设计分析 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠 性等性能指标 设计优化 调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性 能的优化 制造 刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装 配中可能存在的问题 样机试验 系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试 验，以确认设计目标 6 系统运行 调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化
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汽车虚拟样车仿真技术的内容：
(1)几何仿真 整车结构的几何特性与装配关系的仿真 (2)性能仿真 动力学性能和动力学特性的仿真
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虚 拟 样 车 建 模 流 程
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6.2汽车虚拟试验
6.2.1虚拟试验的定义
• 任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境 ，完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚 拟试验。 • 也可以简单的定义为在虚拟环境中进行的试验。
5）儿童乘员保护技术
6）汽车防撞预警系统 7）疲劳驾驶预警系统
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1）先进汽车主动安全控制技术
• 主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能力。
• 主动安全性包括行驶安全性、环境安全性、感觉
安全性和操作安全性。 • 汽车的行驶安全性是指汽车的装备保证汽车运行 安全，同时具有最佳的动态性能的能力，也就是 通常说的良好的制动性能、操纵稳定性、动力性 和通过性。
VPG 技术的功能和特点
(1) 分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车 身模型、悬挂系(弹簧、减振器、动力控制臂)、转向 梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。 这样，车身和悬挂系统与转向系统间难以明确的作用 力关系已包含在分析模型之内。
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VPG 技术的功能和特点 (2) 分析模型数据库化
• 计算模型建模工作量很大，但是，除车身模型是车型 分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎 是完全可以实现数据库化的。 • 当前悬挂数据库保存有十种结构数据库。模型数据库 还有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模 型等可供用户引用。
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电子稳定程序ESP
ESP典型工作工况
未装备 ESP
(a)躲避前方突然出现障碍物运动工况
装备 ESP
(b)在急转弯车道上高速行 驶时运动工况
(c)在地面附着力不同的路面装 备与未装备ESP车辆行驶效果 对比
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2）智能乘员约束技术 智能安全气囊 气囊式安全带 乘员头颈保护系统
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气囊式安全带
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