汽车仿真技术-彤.docVIP

一、仿真简介 1.1 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真可以用于研制产品或设计系统的全过程中，包括方案论证、技术指标确定、设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段。如训练飞行员、宇航员仿真工作台和仿真机舱等。 1.2 仿真三要素 系统(研究的对象)、模型(系统的抽象)和计算机(工具与手段)，联系着他们的三项基本活动是模型建立、仿真模型建立（又称二次建模）和仿真试验。 二、汽车仿真力学角度分析 在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场的周期是最核心竞争力的体现。汽车仿真技术在汽车开发中的作用也主要体现在这3个方面。汽车仿真分析从力学角度来分主要有：整车疲劳寿命分析、整车系统动力学分析、整车系统NVH分析、碰撞模拟和乘员保护、汽车外流场的空气动力学分析等。 2.1 疲劳寿命分析 结构的疲劳破坏是其主要的失效形式，因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。汽车疲劳寿命分析主要研究汽车整车及各部件的动、静疲劳寿命，它有以下4种分析方法： (1)根据S-N曲线进行总寿命评价分析是最传统的总寿命分析方法。这种方法对裂纹的产生和扩展不加以明确区分，能够预测到有较大的损伤和破坏后的总寿命。当然，这种方法也能够对材料在一系列循环载荷作用下各部位的损伤度，剩余寿命进行评价。 (2)根据E-N曲线进行萌生寿命分析是所谓的裂纹萌生分析法。它根据关键点的应变来预测疲劳寿命。这个方法一般用于对整个结构的安全可能造成致命危险的高应变区域。 (3)根据线弹性破坏力学进行裂纹扩展分析是一种建立在线弹性破坏力学(LEFM)理论基础上的预测裂纹扩展的方法，一般适用于结构的损伤容限设计。 (4)疲劳寿命灵敏度分析及优化可对不同材料、焊接类型、载荷大小、各种修正法、耐久性可靠度、表面加工处理、残余应力、应力集中等设计因素进行灵敏度分析及优化设计。 通常，一个疲劳分析可分为4个阶段：材料特性、构件疲劳试验、载荷历史确定和分析方法，分析方法把前3个测量阶段组合起来并得出寿命预计。第5个阶段可以对构件寿命预计与测量的疲劳寿命值进行此较。 2.2 系统动力学分析 汽车系统动力学分析主要研究汽车的行驶性、操纵性等。通常采用多体(多刚体、多柔体)系统动力学分析方法。在研究过程中需要处理如下基本问题： (1)坐标系选择问题。相对坐标法是目前常用的方法，它的特点是每个体上固结一个局部坐标系；绝对坐标法则用统一的坐标系表示整个系统的状态，它的计算效率低，较少采用。 (2)柔性体离散化问题。柔性体本质上是无限自由度系统，为适应计算机数值计算的要求，必须对柔性体进行离散化，常用方法有：假设模态法、有限段方法、有限元方法等。有限元法与模态分析相结合是常用的方法，该方法将系统的物理坐标变换为模态坐标，从而大大降低了系统的自由度数目。 (3)建模方法选择问题。建模方法主要有：Newton-Euler(N/E)方程(矢量力学方程)，可对隔离体建立动力学方程；Lagrange方程(分析力学方程)，它从系统的能量角度入手建立动力学方程；Kane方程，它兼有矢量力学和分析力学的特点，各种动力学原理与方程具有等效性。通常采用有限元、假设模态、校正模态、奇异扰动等方法获得柔性体动力学有限维逼近的坐标基，联同关节变量作为广义坐标，通过Lagrange方程或变分原理导出动力学方程组。 (4)动力学方程数值算法问题。多体系统动力学方程的系数矩阵为高度非线性，其初始条件或参数的微小变化或因计算误差的积累都有可能导致仿真结果的较大偏差甚至发散。针对上述问题的理论研究至今进展不大。目前人们在仿真时还都是采用传统的数值积分方法，如：四阶Runge-Kutta法、Gear法、Newmark法等。 2.3 NVH分析 汽车NVH分析的方法主要有： (1)多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。 (2)有限元方法，一方面，适用于车身结构振动、车室内部空腔噪声的建模分析；另一方面，与多体系统动力学方法结合来分析汽车底盘系统的动力学特性，效率能大大提高。常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。 (3)边界元方法与有限元方法相比，能方便地处理无界区域问题，但计算速度较慢。此法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点。它与有限元方法都较适合于中、低频范围。 (4)统计能量分析方法对于中、高频(300Hz以上)的汽车NVH特性预测，如果采用FEM建立模型，将大大增加工作量而且准确度并不高，此时采用SAE方法是比较合理的。统计能量分析方法可快速、准确地模拟中高频段声学特性。