第4章 汽车数字化仿真技术
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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
2013-7-10
汽车数字化开发技术
第 10 页
（威海） 汽车工程学院
HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING
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3. 仿真建模的基本要求
(1) 清晰性。一个大的系统往往由许多子系统组成，因此对应的系统模型也由 许多子模型组成。在子模型与子模型之间，相互耦合要尽可能少，结构尽 可能清晰。 (2) 切题性。系统模型只应该包括与研究目的有关的方面，也就是与研究目的 有关的系统行为子集的特性的描述。对于同一个系统，模型不是唯一的， 研究目的不同，模型也不同。 (3) 精确性。同一个系统的模型按其精确程度要求可分为许多级。对不同的工 程，精确度要求不一样。例如用于飞行器系统研制全过程的工程仿真器要 求模型精度高，甚至要考虑到一些小参数对系统的影响，这样的系统模型 复杂，对仿真计算机的性能要求也高；但用于训练飞行员的飞行仿真器， 则要求模型的精度相对低一些，只要被培训人员感到“真”即可。 (4) 集合性。把一些个别的实体能组成更大实体的程度，有时要尽量从能合并 成一个大的实体的角度考虑。如对武器射击精度鉴定，并不十分关心每发子 弹的射击偏差，而着重讨论多发子弹射击的统计特性。
连接电缆
通信指挥 监控设备 数据采集 记录显示 设备 信号产生 与激励设 备
非标设备
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4. 仿真工具（硬件和软件）
2013-7-10 汽车数字化开发技术 第4页
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1.仿真技术及其分类
计算机的发展经历了： 模拟计算机(Analog Computer) 混合计算机(Hybrid Computer) 数字计算机(Digital Computer) 相应的仿真的发展也经历了 模拟仿真 混合仿真 数字仿真
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4. 仿真工具（硬件和软件）
仿真系统硬件：
系统测试 设备
仿真计算 机 接口
能源动力 系统
仿真系统 硬件
6. 仿真技术的应用与发展
仿真技术在系统研制中的应用
阶段 概念化设计 设计建模 设计分析 设计优化 制造 样机试验 系统运行
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应用内容 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 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 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等 性能指标 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 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 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 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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1.仿真技术及其分类
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。 在产品设计阶段,利用仿真技术和数字化模型——虚拟 产品来代替实物模型,即可对设计对象进行一定程度的考察 和评估,以替代费时、费钱的实验。
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4.1 数字化仿真技术
仿真技术及其分类 物理仿真与数学仿真 仿真的基本要素 数字化仿真程序 仿真技术的应用与发展
键盘 数据读入 磁盘 系统数学模型 绘图仪 打印 机 CRT
结果输出
磁盘
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3. 仿真建模的基本要求
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6. 仿真技术的应用与发展
仿真器的现状与开发 系统仿真器(System Simulator)是模仿真实系统的实验研究 装置，它包括计算机硬件、软件以及模仿对象的某些类似 实物所组成的一个仿真系统。 仿真器分为培训仿真器和设计仿真器。 培训仿真器一般由运动系统、显示系统、仪表、操作系统 以及计算机硬件、软件组成类似实物的模拟装置。例如， 培训飞机驾驶员航线起落飞行仿真器就包括：座舱与其运 动系统、视景系统、音响系统、计算机系统以及指挥台等 ，此外还有电源、液压源，以保证实验条件。
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5. 数字化仿真程序
数字仿真的工作流程
建立数学模型 修改系统模型 建立仿真模型 修改仿真模型
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2.物理仿真与数学仿真
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，如飞机的风洞试验、建筑及城市规 划模型等。 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。
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5.数字化仿真程序
数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般采用通 用语言编写。根据仿真过程的要求，一个完整的仿真程序应具有以下三 个基本阶段。 (1) 始化阶段 这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作： ①数组定维、各状态变量置初值； ②可调参数、决策变量以及控制策略等的建立； ③仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方式等的建立。 (2) 模型运行阶段 这是仿真的主要阶段 规定调用某种算法，计算各状态变量和系统输出变量。当到达打印 间隔时输出一次计算结果，并以数字或图形的方式表示出来。 (3) 仿真结果处理和输出阶段 当仿真达到规定的总仿真时间时，对动力 学来说，常常希望把整个仿真结果以曲线形式再显示或打印出来，或将 整个计算数据存起来。针对不同的计算机和计算机外设的配置，该段的 差别也较大。
汽车数字化开发Байду номын сангаас术
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1.仿真技术及其分类
仿真(Simulation)是通过对系统模型的试验，研究已存在的 或设计中的系统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统 的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合 理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系 统设计提供决策支持和科学依据。 例如： 研制新型飞机时，一般先要对按比例缩小的飞机模型进行 风洞试验以验证飞机的空气动力学性能； 开发新型轮船时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进 行试验，以了解轮船的各种性能； 设计新的生产线时，要先对生产线的性能作出评估等。
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2.物理仿真与数学仿真
数学仿真试验时，通过键盘等输入设备改变系统参数或系 统结构，通过CRT、打印机、绘图仪等输出设备显示仿真 结果，或者将仿真结果存储在磁盘上。
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第4章 汽车数字化仿真技术
4.1 数字化仿真技术概述 4.2 有限元分析技术 4.3 汽车产品的优化设计 4.4 汽车虚拟样机技术 4.5 汽车虚拟试验 4.6 汽车虚拟试验场技术
仿真系统软件： 包括为系统模型软件、通用软件、应用软件、系统模型 软件、对象数学模型、仿真算法、系统运行流程、仿真服 务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心 的仿真软件系统。 通用软件含有计算机操作系统、编程语言、调试运行环 境、图形界面开发程序、通用接口通信程序等。 专用软件包含专用算法、专用接口通信程序。
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1.仿真技术及其分类
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。 其实质是以计算机仿真技术为手段,在产品设计的全生命 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,其目的在于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。 系统仿真是研究系统、解决问题的方法和手段。
编写仿真程序
修改程序
仿真运行
仿真程序（多 次运行优化、 统计）
合理？
分析结果 2013-7-10
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1.仿真技术及其分类
系统仿真可以有多种分类方法：
①按所用模型的类型(物理模型、数学模型、物理－数学模型)分为物理仿 真、计算机仿真(数学仿真)、半实物仿真； ②按所用计算机的类型(模拟计算机、数字计算机、混合计算机)分为模拟 仿真、数字仿真和混合仿真； ③按仿真对象中的信号流(连续的、离散的)分为连续系统仿真和离散系统 仿真。 ④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真(仿真时间标尺等于自 然时间标尺)、超实时仿真(仿真时间标尺小于自然时间标尺)和亚实时仿 真(仿真时间标尺大于自然时间标尺)； ⑤按虚实结合的程度分为结构仿真、虚拟仿真和实况仿真； ⑥按功能用途可分为工程仿真和训练仿真。
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3. 仿真建模的基本要求
(1) 清晰性。一个大的系统往往由许多子系统组成，因此对应的系统模型也由 许多子模型组成。在子模型与子模型之间，相互耦合要尽可能少，结构尽 可能清晰。 (2) 切题性。系统模型只应该包括与研究目的有关的方面，也就是与研究目的 有关的系统行为子集的特性的描述。对于同一个系统，模型不是唯一的， 研究目的不同，模型也不同。 (3) 精确性。同一个系统的模型按其精确程度要求可分为许多级。对不同的工 程，精确度要求不一样。例如用于飞行器系统研制全过程的工程仿真器要 求模型精度高，甚至要考虑到一些小参数对系统的影响，这样的系统模型 复杂，对仿真计算机的性能要求也高；但用于训练飞行员的飞行仿真器， 则要求模型的精度相对低一些，只要被培训人员感到“真”即可。 (4) 集合性。把一些个别的实体能组成更大实体的程度，有时要尽量从能合并 成一个大的实体的角度考虑。如对武器射击精度鉴定，并不十分关心每发子 弹的射击偏差，而着重讨论多发子弹射击的统计特性。
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4. 仿真工具（硬件和软件）
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计算机的发展经历了： 模拟计算机(Analog Computer) 混合计算机(Hybrid Computer) 数字计算机(Digital Computer) 相应的仿真的发展也经历了 模拟仿真 混合仿真 数字仿真
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4. 仿真工具（硬件和软件）
仿真系统硬件：
系统测试 设备
仿真计算 机 接口
能源动力 系统
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6. 仿真技术的应用与发展
仿真技术在系统研制中的应用
阶段 概念化设计 设计建模 设计分析 设计优化 制造 样机试验 系统运行
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应用内容 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 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 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等 性能指标 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 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 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 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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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。 在产品设计阶段,利用仿真技术和数字化模型——虚拟 产品来代替实物模型,即可对设计对象进行一定程度的考察 和评估,以替代费时、费钱的实验。
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仿真技术及其分类 物理仿真与数学仿真 仿真的基本要素 数字化仿真程序 仿真技术的应用与发展
键盘 数据读入 磁盘 系统数学模型 绘图仪 打印 机 CRT
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6. 仿真技术的应用与发展
仿真器的现状与开发 系统仿真器(System Simulator)是模仿真实系统的实验研究 装置，它包括计算机硬件、软件以及模仿对象的某些类似 实物所组成的一个仿真系统。 仿真器分为培训仿真器和设计仿真器。 培训仿真器一般由运动系统、显示系统、仪表、操作系统 以及计算机硬件、软件组成类似实物的模拟装置。例如， 培训飞机驾驶员航线起落飞行仿真器就包括：座舱与其运 动系统、视景系统、音响系统、计算机系统以及指挥台等 ，此外还有电源、液压源，以保证实验条件。
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数字仿真的工作流程
建立数学模型 修改系统模型 建立仿真模型 修改仿真模型
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2.物理仿真与数学仿真
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，如飞机的风洞试验、建筑及城市规 划模型等。 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。
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5.数字化仿真程序
数字仿真程序是一种适用于一类仿真问题的通用程序。一般采用通 用语言编写。根据仿真过程的要求，一个完整的仿真程序应具有以下三 个基本阶段。 (1) 始化阶段 这是仿真的准备阶段，主要完成下列工作： ①数组定维、各状态变量置初值； ②可调参数、决策变量以及控制策略等的建立； ③仿真总时间、计算步距、打印间隔、输出方式等的建立。 (2) 模型运行阶段 这是仿真的主要阶段 规定调用某种算法，计算各状态变量和系统输出变量。当到达打印 间隔时输出一次计算结果，并以数字或图形的方式表示出来。 (3) 仿真结果处理和输出阶段 当仿真达到规定的总仿真时间时，对动力 学来说，常常希望把整个仿真结果以曲线形式再显示或打印出来，或将 整个计算数据存起来。针对不同的计算机和计算机外设的配置，该段的 差别也较大。
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1.仿真技术及其分类
仿真(Simulation)是通过对系统模型的试验，研究已存在的 或设计中的系统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统 的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合 理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系 统设计提供决策支持和科学依据。 例如： 研制新型飞机时，一般先要对按比例缩小的飞机模型进行 风洞试验以验证飞机的空气动力学性能； 开发新型轮船时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进 行试验，以了解轮船的各种性能； 设计新的生产线时，要先对生产线的性能作出评估等。
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数学仿真试验时，通过键盘等输入设备改变系统参数或系 统结构，通过CRT、打印机、绘图仪等输出设备显示仿真 结果，或者将仿真结果存储在磁盘上。
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4.1 数字化仿真技术概述 4.2 有限元分析技术 4.3 汽车产品的优化设计 4.4 汽车虚拟样机技术 4.5 汽车虚拟试验 4.6 汽车虚拟试验场技术
仿真系统软件： 包括为系统模型软件、通用软件、应用软件、系统模型 软件、对象数学模型、仿真算法、系统运行流程、仿真服 务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心 的仿真软件系统。 通用软件含有计算机操作系统、编程语言、调试运行环 境、图形界面开发程序、通用接口通信程序等。 专用软件包含专用算法、专用接口通信程序。
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规格严格 功夫到家
1.仿真技术及其分类
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。 其实质是以计算机仿真技术为手段,在产品设计的全生命 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,其目的在于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。 系统仿真是研究系统、解决问题的方法和手段。
编写仿真程序
修改程序
仿真运行
仿真程序（多 次运行优化、 统计）
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1.仿真技术及其分类
系统仿真可以有多种分类方法：
①按所用模型的类型(物理模型、数学模型、物理－数学模型)分为物理仿 真、计算机仿真(数学仿真)、半实物仿真； ②按所用计算机的类型(模拟计算机、数字计算机、混合计算机)分为模拟 仿真、数字仿真和混合仿真； ③按仿真对象中的信号流(连续的、离散的)分为连续系统仿真和离散系统 仿真。 ④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真(仿真时间标尺等于自 然时间标尺)、超实时仿真(仿真时间标尺小于自然时间标尺)和亚实时仿 真(仿真时间标尺大于自然时间标尺)； ⑤按虚实结合的程度分为结构仿真、虚拟仿真和实况仿真； ⑥按功能用途可分为工程仿真和训练仿真。