探析计算机仿真5种方法在汽车工程中的应用

王丽华 高小焕 姚君霞

摘  要：計算机仿真5种方法包括基于数值模拟方法的仿真技术、基于MATKAB/Simulink的仿真技术、硬件在环仿真技术、高层体系结构技术和虚拟现实技术。文章分别研究以上5种计算机仿真技术在汽车工程中的应用情况，丰富汽车产品的使用功能、提高汽车运行性能，借助计算机仿真技术优越性促进汽车工程行业技术革新。

关键词：计算机仿真技术;汽车工程;数值模拟

中图分类号：TP391.9       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）28-0170-02

Abstract： The five methods of computer simulation include simulation technology based on numerical simulation method， simulation technology based on MATKAB/Simulink， hardware-in-the-loop simulation technology， high-level architecture technology and virtual reality technology. This paper studies the application of the above five kinds of computer simulation technology in automobile engineering， enriches the use functions of automobile products， improves the running performance of automobile， and promotes the technical innovation of automobile engineering industry with the help of the superiority of computer simulation technology.

Keywords： computer simulation technology; automobile engineering; numerical simulation

引言

随生活质量及科技水平，消费者对于汽车产品的需求更加多样化。汽车系统构成复杂、零部件众多，加上近年来不断融入的自动化、智能化系统，其研发设计工作体量增加。为了在设计阶段对汽车的性能、安全、舒适度等进行正确的预估，利用计算机仿真技术来模拟汽车行驶过程中可能遇到的各种环境和问题。检验设计参数的合理性，并对汽车系统做出优化。

1 基于数值模拟方法的仿真技术在汽车工程中的应用

数值模拟方法通常被用于汽车工程中结构设计、被动安全性能试验、动力学仿真以及虚拟试验场四个方面。

1.1 在结构设计中的应用

汽车结构设计需满足产品在强度、性能、使用寿命等方面的要求，应用在结构设计阶段的数值模拟方法主要是有限元方法和计算流体力学法，对汽车结构做最大限度的优化。例如，有限元软件能够精确计算汽车结构参数，适用范围广、分析深度大，通常被用在汽车结构低频振动的模拟分析中。基于有限元方法，最具代表的模拟软件为SYSNOISE，从软件的发展状态来看，更多的实践成果来自汽车内部空间噪声的控制，而在结构噪声方面，该软件还处于研究阶段[1]。数值模拟方法的应用可实现汽车结构内全部零件的优化设计，进而提高结构的稳定性、荷载能力和耐久性，并降低行车过程中车内空间的噪音，带来更加舒适、安全的行车体验。结构上的优化还可明显降低汽车的自重，达到节能降耗、降低汽车使用成本的目的。

1.2 在被动安全试验中的应用

被动安全指的是当汽车发生不可避免的事故时，车内人员的安全，可降低事故对人员的伤害程度。被动安全属性的提升需要进行大量的碰撞试验，由于每一试验样本仅可使用1次，必然导致汽车研发时间和成本的上升。而利用数值模拟可在不开展实体试验的情况下，对各种碰撞情况进行模拟，检验汽车的被动安全。当试验进展到一定的阶段，大致得出最佳的设计参数或方案时，再开展实体验证，从而降低试验成本。在试验过程中，系统还可根据试验结果，自动给出优化设计方案，减轻改进工作压力，缩短研发周期。

1.3 在动力学仿真中的应用

在动力学仿真的模拟中，最常用的数值模拟软件为Adams，其下设的Car模块可在短时间内建立汽车系统模型，可视化动力学仿真研究过程，以得出实现车辆系统最佳操控性、稳定性和舒适性的设计参数。

1.4 在虚拟试验场中的应用

在汽车生产行业，设有专门的试车场测试汽车产品，例如高速环形道路、坡道、耐久交变试验道路等，均为汽车试车场的常规形式，用来检测汽车的操控性能、耐久性等指标。将数值模拟仿真技术应用于虚拟试验场中，可实现对汽车全部性能的仿真化检验。开展设计工作之前，获取汽车样本在不同路况中的行车数据，准确预估汽车性能。虚拟试验场技术的应用是汽车工程领域系统分析水平的又一次提升，整车结构、轮胎、连接部件等均可被有效检测。系统中还设有减震器、轮胎、安全气囊等单元的数据库，用于分块模型的搭建。同时，虚拟试验场技术还能对行车荷载进行模拟，提供不同标准、形式的试验路面，并进行障碍物的设置，使得汽车的检验结果更为准确和可靠。

2 基于MATKAB/Simulink的仿真技术在汽车工程中的应用

MATKAB/Simulink技术的主要作用是对汽车的总体性能、行驶消耗、结构零部件运行质量等进行预估，其模拟的系统具备动态化特点，在连续时间系统、线性及非线性系统等均可使用[2]。该技术的应用对于汽车控制系统的研发和测试具备重要意义，结合实际情况对技术进行搭建和调整，直观输出仿真结果。依照流动方向，可将MATKAB/Simulink仿真技术划分成前向和后向仿真。其中，前向仿真的数据流和系统能量流同向，从汽车驾驶员的实际需求出发，对系统运行情况进行检验。例如，驾驶员发出加速或制动信号，前向仿真即可模拟出真实环境中汽车各部件的调整、运行情况，给出真实的汽车系统状态及逻辑结构，辅助汽车控制器的设计与研发。而后向仿真中数据流与系统能量流反向，可检测系统的静态特性，因此该类型的仿真技术常被用在能量控制方案的制定中。

3 硬件在環仿真技术在汽车工程中的应用

硬件在环仿真技术最开始被应用于高档汽车领域，用来进行系统的设计、研发和测试。硬件在环仿真技术的应用原理是，用数学模型和描述部分仿真系统，将其转化成仿真计算模型，其余的部分直接以物理模型的方式引入到仿真回路中，以实现更逼真的设备模拟效果。该技术最大优点是具备极高的时效性。硬件在环仿真系统由数据接收和发送传感器、处理控制器、人机交互界面、后端仿真平台构成。信号的输入和输出通常连续进行，因此需要将输入信号转化为数字形式。硬件在环仿真同时具备物理仿真和数学仿真的优点，但又没有两种仿真技术的缺陷，通过硬件与软件之间的转换，对汽车进行全车模拟。硬件在环仿真技术的应用可明显缩短汽车产品开发周期，在测试阶段，由于不涉及硬件的使用，因此对于研发成本的控制也非常有利。此外，该技术的应用可根据实际设计情况进行调整，减少出现安全风险的可能。硬件在环仿真技术可用于汽车子系统设计、综合性能评价、功能测试等环节。

例如，电气柴油控制器的测试活动，该结构的主要作用是对发动机中的喷油量和喷油时间进行控制。将其安装在汽车系统中之前，需要通过硬件在环仿真系统的验证。在硬件在环仿真系统中对进入电子柴油控制器的信号进行模拟，使用系统硬件完成实际信号的接收，尽量提升模拟结果的逼真程度。再以硬件在环仿真技术在汽车风洞试验中的应用为例。用于汽车检验的风动可分为实体风洞、模型风洞以及气候风洞三种。将汽车以一定的比例缩小，用于模型风洞试验。制作不同比例缩小的汽车内、外模型，通过对比、分析、筛选，找出最佳设计方案。等模型试验经过多次验证且确定合格后，才开始1：1内、外模型的制作[3]。

4 高层体系结构技术在汽车工程中的应用

高层体系结构虚拟技术由美国研发，可实现应用层与环境的分离，充分提升技术的服务性能。同时，高层体系结构系统的适用程度较高，在汽车工程领域也有广泛的应用。随着理论研究的深入，高层体系结构仿真技术还被应用到无人驾驶汽车、军事、航空航天等领域。相比较之下，该技术在汽车工程中的应用较少，但呈现不断增长的趋势。

5 虚拟现实技术在汽车工程中的应用

虚拟现实技术是一种较新的计算机仿真技术，在研发问世后，被广泛应用于各行各业的工业生产活动中。该技术可在一定条件下，模拟真实环境，通过视觉、听觉、触觉等感官活动，带来身临其境的真实体验。虚拟现实技术在汽车工程中的应用主要是模拟真实的驾驶环境，将数字化的汽车融合到虚拟出的真实环境中，开展汽车的仿真驾驶。过程中，驾驶员可真实感受汽车行驶过程中的振动、气流、噪音等，模拟各种事故环境或突发状况，研究汽车的安全性。对汽车驾驶中可能遇到的各种风险进行全方位的模拟，可在有效控制研发投资的基础上，挖掘汽车设计漏洞，及时作出修改和调整，且模拟过程中不存在任何的危险。虚拟现实技术还可精确完成汽车整体结构或部分构成的模拟，利用高速动画呈现试验过程中汽车的各种动力反应、可操控性、驾驶舒适度、行车安全等情况，对汽车产品的结构、性能等做全面的分析。

6 结束语

计算机仿真技术在汽车工程中的融合程度受到技术发展水平以及汽车构造及性能发展趋势的限制。目前，仿真技术在提升汽车综合性能方面还存在很大的上升空间，结合汽车产业发展趋势研发更多针对性、纵深性的仿真系统及软件成为未来一项重点的研究任务。分析5种计算机仿真技术在汽车工程中的应用问题，明确技术及行业创新方向，促进计算机仿真技术及汽车工程行业的同时发展。

参考文献：

[1]裴秀琴.计算机仿真技术的探究[J].电子世界，2018（02）：202+204.

[2]崔胜.计算机仿真技术的应用[J].电子技术与软件工程，2017（20）：142.

[3]肖安镇.车辆工程中虚拟技术的应用价值研究[J].时代汽车，2017（20）：63-64.