碰撞前階段

 

    避免碰撞發(fā)生當(dāng)然是車輛交通中最有效的降低傷亡的方法。而車輛的行為，例如車輛打滑、側(cè)翻、或者車輪遇到冰路面將會(huì)發(fā)生何種狀況等等可以利用虛擬樣機(jī)來預(yù)測。在ADAMS/Car中結(jié)合多剛體和控制的仿真可以模擬從主動(dòng)懸架到ABS制動(dòng)器等系統(tǒng)的試驗(yàn)來增加主動(dòng)安全性。通過同步調(diào)整機(jī)械、控制系統(tǒng)對車輛進(jìn)行優(yōu)化，可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。

 

 

    一旦碰撞不可避免，氣囊展開和座椅安全帶的預(yù)張緊就成為減小傷害的關(guān)鍵因素，虛擬產(chǎn)品開發(fā)能夠?qū)@些系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。氣囊展開可以利用SimOffice中的MSC Dytran，安全帶約束系統(tǒng)的力可以利用多體仿真分析軟件。在樣車建造和法規(guī)試驗(yàn)之前進(jìn)行虛擬試驗(yàn)可以大大地降低開發(fā)費(fèi)用。法規(guī)試驗(yàn)中車輛各種性能可以用SimOffice中提供的有限元方法來進(jìn)行精確地預(yù)測和研究。

 

    碰撞仿真流程通常需要大量人力，管理仿真產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。模型組裝、質(zhì)量檢查、定義工況、報(bào)告準(zhǔn)備等方面如果引入流程自動(dòng)化和數(shù)據(jù)管理則可以節(jié)省大量的人力。MSC.Software是領(lǐng)先的流程管理和自動(dòng)化工具供應(yīng)商，其產(chǎn)品MSC SOFY 和 MSC SimManager 都提供了汽車碰撞流程自動(dòng)化的環(huán)境。將工作流程確定下來并進(jìn)行客戶化配置后，軟件工具可以自動(dòng)地生成代碼來指導(dǎo)用戶完成工作流程。例如，德國寶馬(BMW)公司利用MSC SimManager建立碰撞仿真自動(dòng)化流程，管理海量仿真數(shù)據(jù)，并且可以和供應(yīng)商合作，使供應(yīng)商可以上載各自相關(guān)的部件。

 

    LSTC公司的領(lǐng)先的碰撞求解器LS-Dyna可以通過MSC Nastran（Sol700）的標(biāo)準(zhǔn)格式來調(diào)用。因此，適撞性和顯著非線性問題都可以采用和NVH部門同樣的模型，這樣通過不同部門的協(xié)作可以節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。

 

 

    避免碰撞后起火取決于供油系統(tǒng)的完整性，該項(xiàng)安全要求已在美國安全法規(guī)FMVSS301中有明確規(guī)定。車輛碰撞后的燃油泄漏必須避免，MSC.Dytran采用拉格朗日和歐拉技術(shù)，可以模擬碰撞中和碰撞后油箱的液固作用、結(jié)構(gòu)大變形、結(jié)構(gòu)接觸等問題。

    MSC.SimManager也可以集成到碰撞后開發(fā)流程中，一級供應(yīng)商TI汽車公司采用MSC.SimManager管理油箱開發(fā)過程中的沖擊、壓力真空、跌落、下陷等試驗(yàn)。

 

 

    矛盾

 

    汽車工業(yè)需要在開發(fā)過程中減少時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)推出創(chuàng)新的產(chǎn)品。當(dāng)前比較通用的策略是利用通用的開發(fā)平臺(tái)、共享部件開發(fā)眾多系列車型。這就導(dǎo)致出現(xiàn)兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)：一個(gè)是新系統(tǒng)的開發(fā)，另一個(gè)是通過共用平臺(tái)和零部件減少系統(tǒng)的變型。借助于虛擬產(chǎn)品開發(fā)可以有效地滿足這兩個(gè)目標(biāo)。

 

    利用基于模板的方法，可以建立全參數(shù)化模型來支持面向模塊的開發(fā)策略。例如，虛擬設(shè)計(jì)可以使用虛擬懸架子系統(tǒng)在建造費(fèi)用高昂的樣車前研究眾多設(shè)計(jì)變量的影響，這就大大縮減了設(shè)計(jì)周期、降低了開發(fā)費(fèi)用。

 

    利用MSC SimOffice提供的基于模板的產(chǎn)品，可以快速地建立整車和子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。只需很短時(shí)間，即可在仿真環(huán)境中完成真實(shí)路面或臺(tái)架試驗(yàn)的仿真計(jì)算，甚至可以在建造第一臺(tái)虛擬樣機(jī)之前就可以完成。 #p#page_title#e#

 

    ADAMS/Car 和ADAMS/Chassis的虛擬樣機(jī)技術(shù)適用于任何車輛設(shè)計(jì)，包括從緊湊型轎車到重型卡車，從大批量生產(chǎn)到小批量生產(chǎn)車輛，同時(shí)可運(yùn)行大量的“What-if”設(shè)計(jì)優(yōu)化以得到更好的車輛性能。

 

 

    為了在汽車實(shí)際建造前就保證其設(shè)計(jì)滿足規(guī)范，可以利用參數(shù)化模型來優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是這種要同時(shí)滿足許多矛盾性目標(biāo)的優(yōu)化往往很復(fù)雜，這可以通過將問題分解為不同級別的子系統(tǒng)問題的途徑加以解決。

 

    定義子系統(tǒng)目標(biāo)的第一步是使用諸如ADAMS/Car RealTime提供的概念模型；其次，使用更詳細(xì)的模型和參數(shù)來定義部件級別的目標(biāo)；最后，在部件水平上利用剛度或強(qiáng)度目標(biāo)完成優(yōu)化。在許多情況下，特別是在僅有很少參數(shù)可知的概念設(shè)計(jì)階段，要借助工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)將總目標(biāo)分解為各個(gè)級別的子目標(biāo)。利用參數(shù)化模型可以找到一組設(shè)計(jì)參數(shù)，提高關(guān)鍵性能、同時(shí)盡量避免犧牲其它的設(shè)計(jì)性能。MSC SimOffice中提供的DOE和隨機(jī)方法進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可以加速設(shè)計(jì)過程。

 

 

    某些新開發(fā)的懸架系統(tǒng)性能很好，但如果不能和車輛匹配是沒有意義的。部件開發(fā)人員需要更緊密地和車輛動(dòng)力學(xué)工程師協(xié)作以避免在開發(fā)后期出現(xiàn)布局問題。另外，將部分CAE的工作轉(zhuǎn)移到CAD部門可以避免因部門間的數(shù)據(jù)交換造成延誤。MSC.Software的SimDesigner產(chǎn)品線可以在CAD環(huán)境下完成仿真。MSC.Software 和豐田（Toyota）及大眾（Volkswagen）合作，開發(fā)了SimDesigner Suspension 產(chǎn)品，可以在CATIA V5環(huán)境下完成懸架相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)分析。通過和ADAMS/Car雙向切換的界面，懸架子系統(tǒng)可以完成遞交以驗(yàn)證其在整車下的性能。這不僅提高了部門的協(xié)作水平，也避免了以后可能出現(xiàn)的布局和匹配問題。

 

 

    一個(gè)高費(fèi)用的問題

 

    汽車產(chǎn)品耐久性如何？汽車行業(yè)有行駛100,000英里或更多里程的保證條款，只有當(dāng)車輛投放市場四五年后，這些條款的潛在影響才可能會(huì)出現(xiàn)。

 

    汽車制造商和零部件供應(yīng)商不能夠簡單地通過延長開發(fā)周期來滿足更長的耐久性試驗(yàn)，必須有更高效的開發(fā)策略。

 

 

    最有效的解決方法是用VPD縮短并增強(qiáng)當(dāng)前的物理試驗(yàn)流程，更完善地研究車輛的耐久性。

 

    通過利用ADAMS/Car 和ADAMS/Chassis，可以建立稱為“半分析載荷”的VPD強(qiáng)化試驗(yàn)，用于車輪力測量。通過虛擬試驗(yàn)，物理試驗(yàn)部門可以更快地運(yùn)行試驗(yàn),并將更多的時(shí)間集中在試驗(yàn)精確性和重復(fù)性上。另一個(gè)重要的方面是產(chǎn)生多軸試驗(yàn)臺(tái)架的駕駛文件，這通常需要較長學(xué)習(xí)或迭代過程，而實(shí)物樣機(jī)有可能在試驗(yàn)周期結(jié)束前損壞。MSC.Software協(xié)助DaimlerChrysler公司將該過程轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境中，降低了對硬件的依賴、加速了試驗(yàn)過程。

 

    虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)可以使制造商通過汽車設(shè)計(jì)參數(shù)對壽命的影響來更深入地了解產(chǎn)品。ADAMS/Insight利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)及其耦合作用。Nissan公司在VPD環(huán)境下，利用ADAMS/Car進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究以考察關(guān)鍵因素如沖擊和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置對仿真的影響。目前正在將此項(xiàng)技術(shù)用于更多的開發(fā)項(xiàng)目。

 

    ADAMS/Insight和MSC Robust Design作為決策支持工具可以幫助用戶在復(fù)雜情況下就可能的設(shè)計(jì)做出判斷。當(dāng)有大量的參數(shù)需要研究時(shí)，以自動(dòng)化的方式采用Monte Carlo 類型的方法研究所有參數(shù)并得到最后的設(shè)計(jì)方案，極大地提高了分析效率。 #p#page_title#e#

 

 

    對于不斷縮減開發(fā)周期的要求，耐久性問題最后的解決方案是促進(jìn)更多的協(xié)作。合作可以表現(xiàn)為許多形式，MSC.SimManager進(jìn)行流程自動(dòng)化，通過捕獲整個(gè)工程流程可以讓經(jīng)驗(yàn)少的工程師在短時(shí)間內(nèi)效率加倍，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以集中于更高層次的研究。 

 

 

    分水嶺

 

    汽車制造商已經(jīng)開始意識(shí)到投放市場的車輛聲學(xué)性能的重要性。在當(dāng)今競爭激烈的市場上，NVH性能是車輛好壞的分水嶺，并且對用戶整體滿意度影響很大。汽車廠商和零部件供應(yīng)商希望在開發(fā)中更早的階段就了解到其產(chǎn)品的NVH性能，這必須要求車輛動(dòng)力學(xué)和NVH等不同學(xué)科之間,以及制造商和供應(yīng)商之間的通力協(xié)作。

 

    衡量汽車NVH性能的指標(biāo)包括主客觀性能在內(nèi)有幾十種，雖然物理試驗(yàn)仍舊在廣泛使用，但是虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)愈來愈廣泛地在開發(fā)設(shè)計(jì)更早階段得到應(yīng)用，跨學(xué)科的虛擬產(chǎn)品開發(fā)可以比較均衡地達(dá)到車輛的整體性能。

 

 

    在設(shè)計(jì)階段各種性能之間必須做出折衷，車輛開發(fā)面臨著要把動(dòng)力學(xué)分析的懸架模型和概念設(shè)計(jì)階段的車身模型進(jìn)行組裝并預(yù)測其整體性能的挑戰(zhàn)。MSC.Software具備完善的多體和有限元解決方案，并與領(lǐng)先的制造商合作改進(jìn)、整合這些開發(fā)環(huán)境，在設(shè)計(jì)開發(fā)的早期就得到整車的振動(dòng)性能。目前，MSC ADAMS已作為汽車行業(yè)車輛動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于NVH仿真。

 

 

    NVH性能不僅僅和振動(dòng)響應(yīng)相關(guān)，而且也和車輛的內(nèi)部噪聲密切相關(guān)。虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境下的MSC SOFY可以方便地組裝振動(dòng)和聲學(xué)的車身模型，包括結(jié)構(gòu)和流體的自動(dòng)耦合，頻率可到200Hz。MSC SOFY和MSC Actran求解器相結(jié)合，可以精確識(shí)別裝飾件及其內(nèi)含物的聲學(xué)吸收特性。MSC.Software的用戶正應(yīng)用這種VPD開發(fā)環(huán)境來得到高真實(shí)度的模型，并可將供應(yīng)商的裝飾部件的影響納入到整車模型中來。

 

 

    長期以來，進(jìn)行系統(tǒng)級的聲學(xué)仿真的最大限制因素是過長的計(jì)算時(shí)間?，F(xiàn)在，MSC Nastran的自動(dòng)部件模態(tài)綜合技術(shù)（ACMS）,可以將車身NVH仿真的時(shí)間縮減到可接受的范圍而不影響結(jié)果的精度，可方便地納入到工程流程中去。

 

 

    創(chuàng)新的費(fèi)用

 

    當(dāng)前，促使動(dòng)力傳動(dòng)系不斷創(chuàng)新的因素是降低二氧化碳排放、燃油燃燒率提高、排放法規(guī)以及減少車主的支出。新的創(chuàng)新概念如尺寸縮小、可變壓縮比、多種燃油能力、混合動(dòng)力、燃料電池可以用來達(dá)到更嚴(yán)格的目標(biāo)。然而，采用傳統(tǒng)的開發(fā)策略，會(huì)大大增加時(shí)間和費(fèi)用。因此需要新的開發(fā)策略在規(guī)定的時(shí)間和費(fèi)用范圍內(nèi)完成系統(tǒng)的開發(fā)。

 

    CAE已證明了其在設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)性能方面的能力。包括從模型建造、仿真到報(bào)告生成的應(yīng)用，已經(jīng)具備了集成的開發(fā)流程并縮短了開發(fā)時(shí)間。所以，僅僅關(guān)注求解器和報(bào)告生成器的效率是不夠的，必須以最優(yōu)的方式將這些重要方面結(jié)合起來。為了加強(qiáng)動(dòng)力傳動(dòng)系市場，MSC.Software與FEV Motorentechnik GmbH(Aachen,德國)建立了開發(fā)合作伙伴關(guān)系，重點(diǎn)為動(dòng)力傳動(dòng)系的機(jī)械仿真。

 

 

    正在開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)需要滿足將來要求的高功率、低排放、承受更高的熱載荷及峰值點(diǎn)火壓力。在更短的開發(fā)周期內(nèi)，需要采取新的方法研究高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷材料特性以滿足耐久性目標(biāo)。此領(lǐng)域一般采用非線性有限元分析，但是一直面對復(fù)雜模型處理時(shí)間太長的問題，比如CAD模型清理、網(wǎng)格劃分等等。 #p#page_title#e#

 

    MSC GS-Mesher可以自動(dòng)化快速劃分網(wǎng)格，同時(shí)縮減模型清理的時(shí)間達(dá)到60％。過程自動(dòng)化還可快速處理邊界條件和建立分析。MSC Marc/MSC Nastran Sol600 的接觸建模能力和區(qū)域分解并行計(jì)算（DDM）大大提高了求解效率。 

 

 

    發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是在不犧牲耐久性的前提下，減小整體重量?？紤]到逐漸增加的壓力峰值和熱載，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)越來越難。通過FEV加強(qiáng)的ADAMS/Engine結(jié)合MSC.Nastran可以精確地預(yù)測載荷和應(yīng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)不同旋轉(zhuǎn)速度下的時(shí)間歷程作為疲勞分析軟件如MSC.Fatigue，F(xiàn)E-Fatigue的輸入，這個(gè)過程提供了諸如曲軸關(guān)鍵部位考慮安全因子的結(jié)果。

 

 

    發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系產(chǎn)生的噪聲對車內(nèi)噪聲和路過噪聲影響很大，低噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)越來越重要。不斷縮短的開發(fā)周期要求在開發(fā)過程早期要采用先進(jìn)的噪聲預(yù)測方法。MSC.Software的虛擬產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)全面地解決動(dòng)力傳動(dòng)系的聲學(xué)問題，包括從燃燒產(chǎn)生的軸承載荷、輻射表面振動(dòng)的計(jì)算到后續(xù)振動(dòng)向自由的輻射等。 

 

    降低噪聲首先要準(zhǔn)確確定燃燒引起的軸承載荷，并傳遞到產(chǎn)生輻射的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。通常這些數(shù)據(jù)由物理試驗(yàn)得到，這就限制了動(dòng)力傳遞系的優(yōu)化。“通過使用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)，包括彈性的曲軸、缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，可以獲得高真實(shí)度的軸承載荷，能夠代表載荷頻率成分的影響，所得頻域結(jié)果作為輻射部件頻率響應(yīng)分析以確定其表面位移。”FEV負(fù)責(zé)與MSC/Engine開發(fā)的Mrtin Rebbert 博士說。 

 

    聲輻射仿真由于太耗費(fèi)計(jì)算資源，經(jīng)常在開發(fā)周期末進(jìn)行，一般僅僅是評價(jià)表面振動(dòng)水平。這些振動(dòng)給出發(fā)動(dòng)機(jī)表面機(jī)械能的分布，只有聲學(xué)計(jì)算能夠知道其中多少能量轉(zhuǎn)換為聲輻射能。外部聲學(xué)創(chuàng)新技術(shù)結(jié)合數(shù)值技術(shù)的進(jìn)步，使得完全基于VPD技術(shù)的聲學(xué)優(yōu)化成為現(xiàn)實(shí)。

 

 

    除輻射問題外，另一類為傳動(dòng)系振動(dòng)問題。這些復(fù)雜的振動(dòng)可能由從變速箱到車橋以及其間的傳動(dòng)軸等任何部位所造成，并且通常由物理試驗(yàn)來研究?，F(xiàn)在，VPD技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于此領(lǐng)域來降低振動(dòng)和其它相關(guān)問題。例如，Honda公司利用VPD輔助物理試驗(yàn)進(jìn)行研究以減小在手動(dòng)檔的小型和中型轎車的“搖動(dòng)”。該問題產(chǎn)生是由于動(dòng)力傳動(dòng)系和底盤的相互作用并和橡膠襯套特性相關(guān)。通過將虛擬模型和物理模型關(guān)聯(lián)，Honda很快找到了一套方法對動(dòng)力傳動(dòng)系部件進(jìn)行優(yōu)化，避免了該問題的重復(fù)發(fā)生。

 

   一些制造商需要對不同混合動(dòng)力汽車進(jìn)行分析以確定其能力。MSC EASY5可以用其預(yù)置的、重復(fù)使用的數(shù)學(xué)模型結(jié)合其它的機(jī)械和控制模型，建立完整的混合動(dòng)力汽車模型。