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懸架到ABS制動器等系統(tǒng)的試驗(yàn)來增加主動安全性。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)也是一個挑戰(zhàn)。模型組裝、質(zhì)量檢查、定義工況、報告準(zhǔn)備等方面如果引入流程自動化和數(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)過程中減少時間和費(fèi)用，同時推出創(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、共享部件開發(fā)眾多系列車型。這就導(dǎo)致出現(xiàn)兩個相互矛盾的目標(biāo)：一個是新系統(tǒng)的開發(fā)，另一個是通過共用平臺和零部件減少系統(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)計變量的影響，這就大大縮減了設(shè)計周期、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)。只需很短時間，即可在仿真環(huán)境中完成真實(shí)路面或臺架試驗(yàn)的仿真計算，甚至可以在建造第一臺虛擬樣機(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，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，同時可運(yùn)行大量的“What-if”設(shè)計優(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)計滿足規(guī)范，可以利用參數(shù)化模型來優(yōu)化設(shè)計。但是這種要同時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)計階段，要借助工程師的知識和經(jīng)驗(yàn)將總目標(biāo)分解為各個級別的子目標(biāo)。利用參數(shù)化模型可以找到一組設(shè)計參數(shù)，提高關(guān)鍵性能、同時盡量避免犧牲其它的設(shè)計性能。MSC SimOffice中提供的DOE和隨機(jī)方法進(jìn)行自動化設(shè)計，可以加速設(shè)計過程。

 

 

    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),并將更多的時間集中在試驗(yàn)精確性和重復(fù)性上。另一個重要的方面是產(chǎn)生多軸試驗(yàn)臺架的駕駛文件，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（DOE）方法識別關(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)計研究以考察關(guān)鍵因素如沖擊和發(fā)動機(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)計做出判斷。當(dāng)有大量的參數(shù)需要研究時，以自動化的方式采用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)行流程自動化，通過捕獲整個工程流程可以讓經(jīng)驗(yàn)少的工程師在短時間內(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)面臨著要把動力學(xué)分析的懸架模型和概念設(shè)計階段的車身模型進(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)計開發(fā)的早期就得到整車的振動性能。目前，MSC ADAMS已作為汽車行業(yè)車輛動力學(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和聲學(xué)的車身模型，包括結(jié)構(gòu)和流體的自動耦合，頻率可到200Hz。MSC SOFY和MSC Actran求解器相結(jié)合，可以精確識別裝飾件及其內(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算時間?，F(xiàn)在，MSC Nastran的自動部件模態(tài)綜合技術(shù)（ACMS）,可以將車身NVH仿真的時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，促使動力傳動系不斷創(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，會大大增加時間和費(fèi)用。因此需要新的開發(fā)策略在規(guī)定的時間和費(fèi)用范圍內(nèi)完成系統(tǒng)的開發(fā)。

 

    CAE已證明了其在設(shè)計滿足目標(biāo)性能方面的能力。包括從模型建造、仿真到報告生成的應(yīng)用，已經(jīng)具備了集成的開發(fā)流程并縮短了開發(fā)時間。所以，僅僅關(guān)注求解器和報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)動力傳動系市場，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)為動力傳動系的機(jī)械仿真。

 

 

    正在開發(fā)的發(fā)動機(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)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、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可以自動化快速劃分網(wǎng)格，同時縮減模型清理的時間達(dá)到60％。過程自動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)域分解并行計算（DDM）大大提高了求解效率。 

 

 

    發(fā)動機(jī)設(shè)計的另一個挑戰(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)動機(jī)不同旋轉(zhuǎn)速度下的時間歷程作為疲勞分析軟件如MSC.Fatigue，F(xiàn)E-Fatigue的輸入，這個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)動機(jī)和傳動系產(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)動機(jī)的設(shè)計越來越重要。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)平臺全面地解決動力傳動系的聲學(xué)問題，包括從燃燒產(chǎn)生的軸承載荷、輻射表面振動的計算到后續(xù)振動向自由的輻射等。 

 

    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，這就限制了動力傳遞系的優(yōu)化。“通過使用發(fā)動機(jī)虛擬樣機(jī)，包括彈性的曲軸、缸體、發(fā)動機(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)計算資源，經(jīng)常在開發(fā)周期末進(jìn)行，一般僅僅是評價表面振動水平。這些振動給出發(fā)動機(jī)表面機(jī)械能的分布，只有聲學(xué)計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，另一類為傳動系振動問題。這些復(fù)雜的振動可能由從變速箱到車橋以及其間的傳動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檔的小型和中型轎車的“搖動”。該問題產(chǎn)生是由于動力傳動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力傳動系部件進(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，建立完整的混合動力汽車模型。