计算机仿真在汽车工程中的应用

王赫

【摘要】由于社会需求的不断增长和科学技术发展的推动，汽车自1886年诞生至今，已经发展成为高度机电一体化的产品。汽车由上万个零部件组成，整车及零部件的设计涉及机械、动力、电子、电磁、控制等多个领域。随着社会的发展，汽车的设计变得更加复杂，而且许多实际问题已无法用传统的设计方法解决。同时，汽车的使用条件也复杂多变，如道路状况、气候条件等，有时相差很大，为了使汽车对复杂的使用条件具有良好的适应性和可靠性，需要做大量的试验。此外，汽车产品整个开发周期包括零部件设计、试制、试验和整车试验等阶段，每个阶段需要的时间都将影响整个产品的开发周期。基于以上原因，计算机仿真方法正逐渐被应用到汽车工程设计中。

计算机仿真分析的过程是：将汽车零部件或整车进行数学描述、建模编程并在计算机中运行，达到分析的目的。它有许多优点，例如不会对被仿真件造成破坏，仿真软件容易修改，可重复使用；可以用于产品研制或设计的全过程，包括方案论证、维护训练、故障处理等各个阶段；可以大大缩短产品的开发周期，降低开发成本，减少研制费用，加快产品更新换代，提高产品的竞争力。

【关键词】计算机；仿真汽车；工程应用

计算机仿真技术，在汽车工业的应用是多方面的，它经历了一个从简单到复杂，从小型到大型，从刚体到柔体，从线性结构到非线性结构的发展过程。最初技术由于受到计算机软硬件性能的限制，只能对汽车结构作大量的简化。例如，在研究汽车在常规路面上直线行驶性能的时候，由于不会产生由汽车转弯引起的左右车轮载荷转移，可以将汽车简化为单轨汽车模型；当只研究汽车系统动力性能的时候，可以忽略汽车悬架的弹性变形；而以多体力学为基础的虚拟样车技术中，将汽车中的大量零部件都以刚性体代替；在以有限元理论为基础的FEM分析中，也经常将单元用比较简单的线性单元描述。这样做的目的，就是为了降低模型的复杂程度，减轻计算机的工作负担。

现代汽车工程对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构仿真分析已不满足于结构线弹性分析，汽车产品精益设计要求仿真分析更多的考虑非线性系统的影响。

一、计算机仿真技术运用的知识

1.有限元思想

有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的集合性状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。在此基础上，对每一单元假设一个简单的唯一函数来近似模拟其唯一分布规律，通过虚位移原理求得没个单元的平衡方程，既是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后借此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力。

学习并掌握了有限元基本理论及分析方法，就可推广到各种结构形式，将有限元计算结果应用于工程结构设计中。

2.弹塑性材料应力-应变关系及计算

人们通常用相对简单的数学模型来近似模拟计算应力-应变关系，典型的模型有：单向拉伸时的理想化模型、等相硬化模型、随动硬化模型、综合硬化模型。

计算时通常把应变分成弹性和塑性两部分。3.接触界面的处理方法

有两个基本问题要解决。第一个问题是确定任意时刻汽车碰撞系统中全部的接触碰撞界面，它对应的是接触界面的搜寻问题；第二个问题就是确定接触碰撞界面上接触碰撞力的大小和方向，它对应的是在接触约束条件下接触力的计算问题。在这里，采用级域理论与方法分析与计算。

二、计算机仿真技术在轿车工业中的应用概况

基于对轿车生命周期的阶段划分方法，对计算机仿真技术在轿车工业中的应用概况进行分析。

1.计算机仿真技术在轿车方案阶段的应用

方案阶段的主要任务是根据市场的发展和客户的需求等信息进行需求定义，包括参考样车选型、系统功能定义、技术经济评价等等。在方案阶段实际系统并不存在，设计人员根据不同的功能模型建立系统的动态模型，以便于比较不同方案的优劣。尽管此时模型的粒度较粗，但仍可为设计人员提供不同方案下的比较分析结果，并为进一步的设计提供决策依据。

例如，轿车的技术经济评价就是在方案阶段，对轿车产品的技术质量信息、成本信息以及竞争对手信息进行建模，并在此基础上运用合适的理论方法综合处理这些模型从而产生出可以对设计、管理与决策提供依据的综合知识。

三、计算机仿真技术在轿车设计阶段的应用

在轿车的设计阶段，各种CAx/DFx工具已经得到广泛的应用，具有比较完善的数字化基础。因此这个阶段的仿真活动是同这些计算机辅助工具紧密结合的，甚至可以直接将CAD产品模型作为仿真模型输入，即由CAx软件来完成仿真建模工作，实现了部分的信息集成。这种信息集成是以一些图形信息交互标准为基础的，常用的格式有IGES、STEP等。但在实际使用时，由于各种软件对这些标准支持程度的差别，某些情况下CAx模型直接导入到仿真软件中会产生部分信息丢失现象，需要进行必要的修补工作后才能进行仿真分析。随着信息集成技术的发展，这些问题将会得到很好的解决。

设计阶段仿真的主要目的是对设计结果进行验证和评估，通常有如下几个方面：

1.轿车零部件的静态、动态性能分析

基于零部件的CAD主模型及各种仿真简化模型，从运动学、动力学、热力学等各个方面对零部件的性能进行仿真分析。常用的仿真软件有Adams、Nastran、ANSYS等。

例如，悬架是轿车上重要的总成，悬架的设计方案对最终设计出的轿车的性能有重大影响。当轿车行驶在颠簸的路面上或曲线行驶时，由于左右两侧车轮的垂直载荷出现变化，汽车将发生侧倾，这时即使方向盘转角固定不动，因为前悬架导向杆系和转向杆系的运动及变形，转向总成也会绕主销小角度转动，引起前轮转动而损害汽车的操纵稳定性。因此在悬架系统的设计阶段，分析和预测侧倾特性参数是非常必要的。

参考文献中以轿车前悬架系统为分析实例，利用ADAMS/Car模块，进行双轮反向激振动力学仿真。仿真结果是各种侧倾特性参数。对照轿车标准系数，可以对轿车侧倾情况有一个全面了解，为设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法。

2.轿车零部件的可装配性分析

主要从可装配的角度对轿车零部件的设计进行仿真分析验证。目前许多CAD设计工具都提供相应的功能，也可以采用专门的仿真软件进行仿真。

从装配仿真的角度对装配序列规划进行了详细分析，建立了一个层级关联关系模型描述机械产品零部件的层次关系、装配关联关系，并进行了相应的理论研究。

3.整车性能的分析评价与预测

從整体的角度对轿车的各种性能进行分析与预测，包括轿车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞安全性等等。通过计算机仿真，可以大大减少对物理样车试验的要求，而且具有费用低、便于修改、试验结果可存储可回放等优点。例如，汽车外部空气动力学对汽车安全性、稳定性和汽车油耗都有重要的影响。采用仿真技术对新设计的汽车进行外部空气动力学和空气声学的研究，可以取代或者部分取代利用实物样车进行风洞测试的方法，达到缩短设计时间，降低成本的目的。

参考文献：

[1]张方晶，严龙茂.加入WTO给我国轿车工业带来的挑战、机遇及发展对策[J].汽车研究与开发，2001，2：5-7.

[2]游景玉.论仿真技术在知识经济发展中的地位[J].系统仿真学报，2001，13（1）：1-5.