汽车仿真技术-彤

一、仿真简介1.1 仿真的概念仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。

计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段。

如训练飞行员、宇航员仿真工作台和仿真机舱等。

1.2 仿真三要素系统（研究的对象）、模型（系统的抽象）和计算机（工具与手段），联系着他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）和仿真试验。

二、汽车仿真力学角度分析在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场的周期是最核心竞争力的体现。

汽车仿真技术在汽车开发中的作用也主要体现在这3 个方面。

汽车仿真分析从力学角度来分主要有：整车疲劳寿命分析、整车系统动力学分析、整车系统NVH分析、碰撞模拟和乘员保护、汽车外流场的空气动力学分析等。

2.1 疲劳寿命分析结构的疲劳破坏是其主要的失效形式，因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。

汽车疲劳寿命分析主要研究汽车整车及各部件的动、静疲劳寿命，它有以下4 种分析方法：（1）根据S-N 曲线进行总寿命评价分析是最传统的总寿命分析方法。

这种方法对裂纹的产生和扩展不加以明确区分，能够预测到有较大的损伤和破坏后的总寿命。

当然，这种方法也能够对材料在一系列循环载荷作用下各部位的损伤度，剩余寿命进行评价。

（2）根据E-N 曲线进行萌生寿命分析是所谓的裂纹萌生分析法。

它根据关键点的应变来预测疲劳寿命。

这个方法一般用于对整个结构的安全可能造成致命危险的高应变区域。

(3) 根据线弹性破坏力学进行裂纹扩展分析是一种建立在线弹性破坏力学(LEFM)理论基础上的预测裂纹扩展的方法，一般适用于结构的损伤容限设计。

(4) 疲劳寿命灵敏度分析及优化可对不同材料、焊接类型、载荷大小、各种修正法、耐久性可靠度、表面加工处理、残余应力、应力集中等设计因素进行灵敏度分析及优化设计。

通常，一个疲劳分析可分为4 个阶段：材料特性、构件疲劳试验、载荷历史确定和分析方法，分析方法把前3 个测量阶段组合起来并得出寿命预计。

第5 个阶段可以对构件寿命预计与测量的疲劳寿命值进行此较。

2.2 系统动力学分析汽车系统动力学分析主要研究汽车的行驶性、操纵性等。

通常采用多体(多刚体、多柔体) 系统动力学分析方法。

在研究过程中需要处理如下基本问题：(1) 坐标系选择问题。

相对坐标法是目前常用的方法，它的特点是每个体上固结一个局部坐标系；绝对坐标法则用统一的坐标系表示整个系统的状态，它的计算效率低，较少采用。

(2) 柔性体离散化问题。

柔性体本质上是无限自由度系统，为适应计算机数值计算的要求，必须对柔性体进行离散化，常用方法有：假设模态法、有限段方法、有限元方法等。

有限元法与模态分析相结合是常用的方法，该方法将系统的物理坐标变换为模态坐标，从而大大降低了系统的自由度数目。

(3) 建模方法选择问题。

建模方法主要有：Newton-Euler(N/E) 方程(矢量力学方程)，可对隔离体建立动力学方程；Lagrange方程(分析力学方程)，它从系统的能量角度入手建立动力学方程；Kane 方程，它兼有矢量力学和分析力学的特点，各种动力学原理与方程具有等效性。

通常采用有限元、假设模态、校正模态、奇异扰动等方法获得柔性体动力学有限维逼近的坐标基，联同关节变量作为广义坐标，通过Lagrange 方程或变分原理导出动力学方程组。

(4) 动力学方程数值算法问题。

多体系统动力学方程的系数矩阵为高度非线性，其初始条件或参数的微小变化或因计算误差的积累都有可能导致仿真结果的较大偏差甚至发散。

针对上述问题的理论研究至今进展不大。

目前人们在仿真时还都是采用传统的数值积分方法，如：四阶Runge-Kutta法、Gear法、Newmark法等。

2.3 NVH 分析汽车NVH分析的方法主要有：(1) 多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。

(2) 有限元方法，一方面，适用于车身结构振动、车室内部空腔噪声的建模分析；另一方面，与多体系统动力学方法结合来分析汽车底盘系统的动力学特性，效率能大大提高。

常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。

(3) 边界元方法与有限元方法相比，能方便地处理无界区域问题，但计算速度较慢。

此法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点。

它与有限元方法都较适合于中、低频范围。

⑷统计能量分析方法对于中、高频(300Hz以上)的汽车NVH特性预测，如果采用FEM建立模型，将大大增加工作量而且准确度并不高，此时采用SAE方法是比较合理的。

统计能量分析方法可快速、准确地模拟中高频段声学特性。

2.4 碰撞模拟和乘员保护汽车碰撞安全标准中包含5 个方面的内容，即：前撞、后撞、侧撞、顶部压垮和侧门强度。

汽车碰撞仿真主要进行车身结构的耐撞性研究、碰撞生物力学研究和乘员约束系统及安全内饰件研究。

车身结构的耐撞性主要研究汽车，特别是轿车车身对碰撞能量的吸收特性，寻求改善车身结构抗撞性的方法，在保证乘员安全空间的前提下，使车身变形的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小。

目前，车身结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和计算机仿真相结合的方法。

仿真汽车结构模型包括：完整的白车身，包括前后风窗、保险杠系统，包括低速吸能系统、门(带玻璃)、发动机、传动系统和固定零部件、排放系统、悬挂系统、轮胎模型等。

碰撞生物力学主要研究人体在不同形式的碰撞中的伤害机理、人体各部位的伤害极限、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性以及碰撞实验用人体替代物。

仿真模型包括各种百分位的假人模型和一系列撞击器模型，如头部、腿部及胸部撞击器模型等。

乘员约束系统及安全内饰件研究目的是尽量避免人体与内饰件发生二次碰撞，内饰件的研究则是使人体与之发生二次碰撞时，对人体造成的伤害最小。

乘员约束系统包括驾驶员座椅系统、假人模型、安全带、安全气囊等，假人模型必须经过标定。

安全带是乘员保护系统中最早采用的装备，其设计宗旨是在车辆发生前撞及翻滚时约束人体相对车辆的运动，对保护乘员有显著效果。

安全气囊是另一种常见的乘员保护设备，它与安全带的合理匹配可对乘员进行有效保护。

安全座椅、吸能式方向盘、软化的内饰件等对于缓冲二次碰撞以减少对人体的冲击具有重要作用。

乘员损伤评估标准主要包括：头部和胸部的加速度，脚踏板的前移量用来评价膝盖的损伤。

目前，碰撞仿真分析方法主要有有限元方法、多体系统动力学方法和机械振动学方法。

有限元法的优点在于能真实描述结构的变形，适用于建立汽车结构模型以及人体局部结构的生物力学模型。

显式有限元方法为汽车碰撞仿真最常用的有限元方法。

多刚体系统动力学方法的突出优点是模型简单、表述规范、编程方便、运算快捷。

机械振动学方法可以弥补多刚体系统动力学方法不能研究可变形体响应的不足。

它是根据碰撞过程中汽车的实际变形情况将汽车离散为一个非线性弹簧))) 质量振动系统，通过事先测定系统中弹性元件的非线性抗力特性，利用机械振动学的方法来求解碰撞系统响应的。

程序短小、简明，能够考虑变形体的弹塑性变形特性是该方法的基本优点，而且从理论上说，它与多刚体系统动力学方法的有机结合，能够解决汽车碰撞分析中几乎所有的响应问题，但由于抗力元件的非线性特性必须预先测定，同时又要保证所测得的特性恰恰是构件在真实碰撞中的力- 变形特性，这样，在测试时，就必须精心模拟构件在碰撞中可能出现的各种可能的约束条件，而汽车碰撞中的有些接触约束条件事先是无法知道的，这就大大增加了测试的难度。

近年来汽车碰撞仿真技术的发展方向是：提高仿真运算速度，它是汽车碰撞仿真技术发展的核心；发展新的人体模型模拟技术；寻求接触搜寻新算法；研究降阶积分新技术。

2.5 汽车外流场空气动力学分析当车速小于350km/h 时，流体的压缩性可忽略，描述汽车流场的流体动力学基本方程组为三维、不可压缩、非定常N-S方程组，可用线性或非线性方法进行求解。

有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）为求解非线性Euler 和N-S方程组的3种主要数值格式。

FM是一种介于FDM和FEM之间的离散方法，兼有两者的优点，在汽车空气动力学数值仿真中得到了广泛应用。

近年来汽车外流场空气动力学分析主要发展方向是：PFV方法在该领域的应用、采用神经网络方法或计算流体动力学（CFD）方法进行汽车高速行驶时的气动噪声分析、分析汽车高速行驶时空气流场对操纵稳定性的影响。

三、结构仿真分析在汽车上的应用现代设计理论和方法，特别是其中的计算机辅助分析技术的运用使汽车结构的分析水平有了质的飞跃。

有限元法问世以来很快就在车辆系统设计领域得到了应用，结构仿真分析已经涵盖了从小到橡胶垫片，大到整车的所有重要系统和零部件。

应用以数值分析为核心的计算方法和程序，汽车的CAE能够完成静力分析、振动噪声分析、流体动力学分析、机构动力学分析和虚拟样机、可靠性分析、安全性分析、结构优化设计等产品设计的重要工作环节。

对于较为传统的有限元分析内容，即结构静力强度分析、温度场分析、较为简单的流场分析、振动分析，发达国家的应用技术已经十分成熟。

除有限元以外，其它数值分析方法也得到了不同程度的应用，相对来讲没有达到有限元法理论、方法和应用工具的成熟程度。

80 年代后，国外普遍用有限元法进行复杂工程问题的分析，尤其是零部件静力结构分析已经十分普及。

有代表性的国外著名研究机构和公司如奥地利AVL 英国Ricardo，美国的SWR、U.S.ATAC GM Ford，Cummins 日本的Nissan，Toyota，Honda,德国的Benz, Deutz，Volkswagen。

3.1 静力刚强度仿真分析结构强度分析是汽车结构功能及可靠性设计中所关心的最基本问题，因此， 结构静力计算机数值分析是最早开始进人工程应用的内容，也是目前最为成熟 的仿真应用领域之一。

国外用有限元法对汽车中复杂结构件进行强度分析始于 70 年代，初期只是 针对结构及力学模型较为简单的零件进行分析，分析规模较小。

早期的汽车零 部件结构分析受计算工具的限制，一般分析对象结构简单，采用简化的模型， 一般用来计算平面应力和轴对称等二维模型问题，像连杆、活塞等。

有限元模 型采用“试验一计算”结果对比的模式进行多次试算，分析计算结果可信度低， 这些早期的工作为基于数值仿真的结构分析的进一步发展进行了有益的探索。

由于有限元法中的一般均匀材料实体单元应用于静力分析的理论和程序已 经相当成熟，因此工程应用中有限元分析主要关心的问题是模型建立的合理性 与易用性。