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。
气囊式安全带结合传统的安全带和 安全气囊技术，在汽车碰撞时，安 全带在乘员躯干和肩膀处展开成气 囊。
气囊保护层 折叠后的气囊 安全带 气囊 腰带 假人 带有气囊 的肩带 安全带织带 （c）织带结构示意图 展开后的气囊 气囊保护层 座椅 气体储存器 特殊带扣 （b ）安全带组成图 安全带织带 （d ）展开时织带的结构示意图
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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。
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襄樊汽车试验场全景图
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6.3汽车碰撞安全仿真
6.3.1汽车碰撞安全仿真的研究内容 试验从以下五个方面来进行：
1）正面碰撞 2）后部碰撞 3）侧面碰撞 4）顶部压垮 5）侧门强度
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试验的要研究的内容：
1）车身结构的耐撞性研究 2）碰撞生物力学研究 3）乘员约束系统研究 4）安全内部饰件研究
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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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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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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等。
• 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
Leabharlann Baidu29
“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
数字仿真的工作流程
建立数学模型
修改系统模型 修改仿真模型
建立仿真模型
编写仿真程序 仿真运行
修改程序
仿真程序（ 多次运行优 化、统计）
合理？
分析结果
处理结果
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传统的汽车数字仿真：
• 将汽车抽象成一集中质量、弹性模型，建立系统 的力学与数学模型，这些模型通常是微分代数方 程，然后对方程初值问题的数值求解，得到系统 的响应，确定整车动力学参数与其性能之间的关 系。 • 局限性：信息量小、误差大、无法确定系统结构 或参数与性能之间的一一对应关系。
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。
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
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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。
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6.1汽车数字化仿真技术
6.1.1仿真的基本概念与分类
仿真就是采用模拟真实系统的模型，通过对模型 的分析和试验去研究真实系统的工作行为。
一、仿真的一般过程：
（1）建立数学模型； （2）模型变换； （3）编制仿真程序； （4）进行仿真实验； （5）仿真结果整理分析。
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二、数学仿真和物理仿真
物理仿真是通过对实际存在的模型进行试验，以研究 系统的性能，如风洞试验。 数学仿真是利用系统的数学模型代替实际系统进行试 验研究，以获得现实系统的特征和规律。无需昂贵的 实物系统，也无需模拟生成客观真实环境的各种物理 效应设备，而是建立数学模型，按数学模型选好合适 的算法，编好程序，在计算机上进行试验，再现和评 价客观世界的客观事物特性。
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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倒车雷达
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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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为了进行汽车试验而建设起来的试验场，是一个占地 面积几十平方公里的大型综合性试验基地。它包括各种 车辆实际可能遇到的一切典型使用条件的模拟设施： 例如能进行车速超过200km/h的高速环行跑道，能进 行各种性能测试的道路，能进行强化试验的各种路面、 地面，有各种坡道、滑台、涉水池以及相应的室内试验 设备。 汽车可以在这种试验场中完成各种性能寿命试验，虽 然这种设施耗费巨大，投资数以亿元计，但是由于在试 验场里能深入研究汽车产品的各种性能，缩短试验周期 ，从而提高试验结果的可比性和试验工作的安全性。18
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。
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）
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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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• 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。
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
• 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。