基于虛擬技術(shù)的整車試驗研究及應(yīng)用

吳艷新　李杰成　葉科

摘 要：整車試驗是確保產(chǎn)品疲勞壽命的必要手段，也是驗證產(chǎn)品設(shè)計的有效方案之一。提前預(yù)測疲勞危險點的位置及不同設(shè)計所造成的疲勞壽命差異，能大大節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本及時間，建立虛擬驗證的基礎(chǔ)能力能在一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)運用。本文詳細地對比分析了建立整車虛擬模型各軟件的優(yōu)缺點、虛擬路面及虛擬環(huán)境的建模方式，基于成本、時間及可靠性原則清晰地整理出整車虛擬試驗建設(shè)的基本思路，確定了整車建模、虛擬路面、虛擬環(huán)境的構(gòu)造方法。研究表明，整車虛擬實驗仿真結(jié)果可為產(chǎn)品設(shè)計提供指導(dǎo)性意見。

關(guān)鍵詞：整車虛擬試驗場；整車建模；虛擬路面；虛擬環(huán)境

1 引言

車輛作為一個復(fù)雜的機械產(chǎn)品，其質(zhì)量需要經(jīng)過多種試驗得以保證。其中汽車疲勞強度試驗都是通過先制造樣車后進行各類試驗，因此汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)早已確定。如遇特殊情況，會影響汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而導(dǎo)致汽車開發(fā)周期延長。隨著計算機軟硬件水平得到提高，新型汽車試驗法也得到不斷提高，如虛擬試驗場[1]。此方法不需要占用各種資源及任何成本，也能實現(xiàn)在無樣車情況下進行各種場所試驗，大大降低了產(chǎn)品開發(fā)時間，也能針對問題進行重新設(shè)計，因此非常有必要建設(shè)整車虛擬試驗場。

目前常用基于ANSYS/LS-DYNA軟件二次開發(fā)的虛擬實驗技術(shù)——VPG技術(shù)。此法以整車為研究對象，輸入所需要的車速及模擬道路數(shù)據(jù)，并考慮各種非線性因素，因此疲勞分析精度較高，不過此法在整車彈性體建模精度上存在較大誤差。基于Multigreen Creator的汽車試驗場仿真技術(shù)在三（雙）通道視景建模具有較大優(yōu)勢，能夠高逼真還原環(huán)境真實情況，不過對于整車耐久性試驗并不適用，且較難分析某部件的疲勞程度。以上文獻都能進行整車虛擬試驗場建設(shè)，但基于ANSYS和Multigreen Creator不能進行彈性體建模，而精確的整車模型需要建立彈簧、懸置、橡膠襯套等彈性部件，因此選用實體辨識法對彈性體樣件進行性能測試，將真實性能參數(shù)代入模型進行建模[6]。

綜上所述，整車虛擬試驗場建設(shè)應(yīng)選用MSC Adams虛擬樣機技術(shù)，建立準確的路面模型、輪胎模型及整車動力學(xué)模型，模擬各種工況下動力學(xué)分析，提取硬點動載荷后對零部件進行疲勞分析，此思路能為下一步虛擬試驗場的具體建設(shè)提供思路，見圖1。

2 整車虛擬試驗

整車虛擬試驗按照功能領(lǐng)域劃分可分為整車耐久、整車性能、整車臺架、主動安全及主動駕駛等方面。將以上功能模塊按照圖1進行能力化分解，總結(jié)出虛擬試驗場建設(shè)所需的基礎(chǔ)能力包含有虛擬樣車、虛擬路面和虛擬場景。

2.1 虛擬樣車

要先進行整車虛擬試驗場實驗，最重要的是建立一部虛擬樣車。樣車整體建模分為懸架模型、白車身模型及非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型三大模塊分別建模。懸架模型中彈性體需要用實體辨識法測試真實樣本特性，將實際性能參數(shù)代入模型進行建模，通過相關(guān)約束構(gòu)成懸架模型。

白車身模型較為復(fù)雜，難以在Adams軟件中生成及網(wǎng)格化，因此必須使用Hypermesh軟件進行網(wǎng)格劃分，生成白車身模型[7]，見圖2所示。

2.2 虛擬路面

想要對虛擬樣車進行綜合性試驗需要試驗道路比較全面，應(yīng)該包括強化試驗道路、高速環(huán)道、耐久性試驗路、ABS制動試驗路及其他類型路面，同時要求布局合理。目前主要通過試驗場3D掃面進行試驗場道路信息收集[10]，見圖3。

2.3 虛擬場景

虛擬場景建設(shè)需以下元素構(gòu)成：道路、天空、汽車、草地、樹木等。對于近景應(yīng)繪制較為精細且逼真，但是為了優(yōu)化軟件的實用性，遠景描述應(yīng)該比較粗劣。對場景中樹木、草地、標志等進行繪制，將道路與場景通過一定形式將其整合成符合要求的場景，見圖4。

3 整車試驗應(yīng)用

將虛擬樣車、虛擬路面及虛擬場景通過模型整合形成虛擬試驗場。輸入動力參數(shù)，按照規(guī)定的試驗工況行駛進行虛擬樣車綜合性試驗，見圖5。

在Adams軟件中獲取底盤與車身連接硬點間的動載荷分布圖，將各部件所受到的動載荷在有限元軟件中進行加載，同時對其進行相應(yīng)約束，進行整車零部件疲勞耐久分析，提供解決問題的有效思路，指導(dǎo)設(shè)計人員進行合理設(shè)計及布局，見圖6。

4 總結(jié)

基于Adams軟件進行整車虛擬實驗，得到各零部件間連接處硬點的動載荷數(shù)據(jù)，將分析部件與其動載荷數(shù)據(jù)及約束導(dǎo)入ANSYS軟件中進行強度及疲勞計算，可為汽車方案修改給與指導(dǎo)性意見，節(jié)約企業(yè)開發(fā)成本及時間。此法是建立整車虛擬實驗?zāi)壳白羁煽康姆椒ǎ蔀橄乱徊酱罱ㄕ囂摂M實驗場提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)意見。

參考文獻：

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