汽车CAE技术的新进展——虚拟试验场(VPG)技术

汽车CAE技术的新进展——虚拟试验场(VPG)技术
CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，所以CAE技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。

美国工程技术合作公司（ETA公司）推出的虚拟试验场技术（VIRTUAL PROVING GROUND ，以下简称VPG技术）即是针对上述要求发展的实用软件。

一、概述
现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构分析已不满足于结构线性弹性分析。

实际上汽车结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室橡胶支承、悬挂大变形、零部件间连接的能量缓冲等。

在产品要求精益设计的条件下，只应用线性分析普遍感到不足。

产品开发要求CAE更多地考虑非线性影响。

其次，汽车零部件结构分析的一个难点是分析载荷的不定因素，大量零部件结构实际所受到的载荷到底是多大，往往很难明确给出。

对此过去往往应用对比分析法，但这越来越不适应越来越高的设计要求。

第三，汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，这要求汽车在设计的使用期内，整车和零部件完好，不产生疲劳破坏，而达到使用期后（例如轿车一般设计寿命为八年），零部件尽可能多地达到损伤，以求产品轻量化，节约材料和节省能源。

这也对CAE分析提出了使用真实载荷的要求。

汽车整车性能，如舒适性、行驶操纵稳定性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标。

CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，所以CAE技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。

美国工程技术合作公司（ETA公司）推出的虚拟试验场技术（VIRTUAL PROVING GROUND ，以下简称VPG技术）即是针对上述要求发展的实用软件。

二、VPG技术
VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。

1．分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车身FEM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。

如图1所示。

图1 整车的分析模型
2．分析模型数据库化。

众所周知，计算模型建模工作量是很大的。

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。

这是因为，这些结构对轿车来说，结构形式基本可以归纳成几种基本类型和数量有限的几个参数来描述。

用户只需选择结构类型，给出参数即可产生计算模型。

当然用户自行建立模型也是完全可以的。

同时软件数据库可以增加用户模型数据，随着用户应用面的增多，数据库会更加丰富。

当前悬挂数据库保存有McPherson液压减振器Strut、长短臂Short-long Arm、Hotchkiss 渐变叶片弹簧(Leaf Spring)、后拖臂Trailing Arm、五连杆5-link、四连杆Quadra Link和扭杆Twist Beam 等十种结构数据库。

另外，VPG还提供对Adams接口，导入兼容的Adams悬架模型。

图2 轮胎数字化模型
图3 路面数字化模型
轮胎模型分为用于车身疲劳和寿命分析的轮胎模型；用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型和用于动力学分析的轮胎模型三种类性。

疲劳分析轮胎模型，可以由内部函数构造产生、也可以从轮胎数据库中直接选择模型，许可用户直接输入试验数据，可选择SAE971100论文《用于车辆动力学分析及整车实时试验的轮胎模型的有效性》所述的模型。

用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型有更加详细的轮胎结构，模型使用非线性材料，可以选择B.G.KAO等人研究成果：《轮胎瞬态分析与显式有限元程序》论文——《轮胎科学与技术》所应用的模型。

用于动力学分析的轮胎模型能反映三维自由和强迫振动，可适应高频谐波和随机激励的自由振动和接触振动模态。

用户可以根据分析目的选择不同的轮胎模型，一般给出轮胎型号很快即可完成轮胎建模工作。

图4 碰撞计算研究用假人模型
图5 碰撞计算障碍物模型
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。

可见，应用VPG软件最大限度地方便用户建模，简化了计算数据准备工作，同时保证模型的质量和可比性。

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。

VPG软件当前提供了美国MGA汽车试验场数字化数据库，并且准备录用中国海南汽车试验场路面数据。

图6
4．从分析内容方面讲，VPG计算技术分析内容是多样化的。

一个分析模型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。

同时还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。

疲劳分析可以根据计算结果整理出疲劳曲线进行寿命预测。

振动噪声计算结果可以进行富利叶变换，进行NVH评价。

碰撞仿真结果用于结构碰撞性能研究和依据FMVSS 法规对乘员的安全作出评价。

图7 碰撞仿真模拟
运动学和动力学计算可输出内外轮角（Ackerman Angle）、转动半径（Turn Radius）、内倾刚度（Roll Stiffness）、回转半径（Scrnb Radius）、前束角（Toe Angle）、内倾（Kingpin Inclination）、刹车点头和加速沉尾（Anti-dive/Anti-lift）、外倾角（Camber Angle）、后倾角（Caster Angle）和纵向摆动（Front/Rear Roll）等参数，进行整车性能评价。

5．求解器是基于高度非线性软件LS－DYNA进行整车系统非线性分析。

从这个角度看，VPG技术是一个高度非线性分析软件的一个汽车专用接口软件和支持它的数据库。

6．计算结果后处理完全基于现代计算机图式化平台上，可以产生实时动画、疲劳预测、应力应变图、数据信号变换、绘制数据曲线图形等。

从以上所述内容不难看出，VPG技术和传统CAE技术比有很大的特点和进步，分析使用方法也大为简化和方便了。

例如：（1）在整车分析中，避免了传统CAE分析部件间受力关系难以确定的困难，如在车身随机响应疲劳分析中，避免了分析者必须通过样车试验确定悬挂支点对车身作用力谱，再对这些作用力谱滤波、强化、数字化和对车身支点施加谱载荷谱表等一系列复杂工作（对车身谱分析而言）。

对悬挂转向系统运动学和动力学分析而言，不必将车身简化为刚体，车身对悬挂转向系统的弹性和非线性变形影响可真实计入计算分析中，从而提高了分析精度。

（2）以整车为分析对象，边界条件只有路面和车速。

这样分析载荷实现了规范化、标准化，使计算结果更加真实准确，可比性提高。

因为路面载荷数据库是全面和权威的（如美国独立的汽车试验场MGA路面库），也可以是本公司使用的自行考核试验路面，分析结果更加真实可信。

（3）计算是高度非线性分析，分析中包含了结构非线性因素、车身支撑和发动机支撑等橡胶连接件的非线性因素、悬挂转向系统连接和缓冲件的非线性因素、车轮轮胎的非线性因素、轮胎和地面接触条件等。

因此分析结果中几乎排除了传统CAE技术分析时常使用的人为假定，大幅度提高计算精度。

图8
（4）在振动噪声分析中，由于模型有非常大的自由度，析出的振动频率可不受限制，完全可以得到NVH分析要求的250 赫兹内的频率模态。

NVH分析评价更加全面。

（5）整车高速行驶性能、转向稳定性能计算也不再受制于传统计算方法中自由度数量，可同时考虑车身结构变形影响，使计算结果精度提高。

三、结论
应用VPG技术可以缩短产品开发时间，节省研制费用，减少投资风险。

一般来说，可以在样车试制前即可得到产品试验结果，这即是虚拟试验场叫法的由来。

我国CAE技术应用已全面展开，单一计算模型和计算水平已达到国外同期水平，但是因为FEM方法计算结果和传统强度校核计算结果有一定区别，应用FEM进行强度校核的评价标准在大多数企业中还没有建立，因此计算结果应用受到一定限制。

这一方面要求我们尽快建立企业CAE评价标准，另一方面应该吸收国外成熟的评价数据的方法。

但是国外大型公司强度评价标准都是技术机密，准确得到这些数据是很难的。

已经应用CAE软件于汽车产品开发的用户其实大多开发了多种专业接口，其内容和上文所述大同小异，有些接口软件还将ANSYS内部评价数据库编入软件中，但这些汽车公司开发的软件，目的是自行使用，对外是不公开的。

VPG技术开发者ETA公司作为工程技术合作公司，长期为美国各大汽车公司服务，具有丰富的技术经验和软件开发能力，由于不是汽车产品制造公司，因此不存在软件开发后保密自用的问题，软件是比较开放的。

因此可以说，VPG 技术是当前汽车行业CAE应用的一个新进展。