基于虛擬技術的整車試驗研究及應用

吳艷新　李杰成　葉科

摘 要：整車試驗是確保產品疲勞壽命的必要手段，也是驗證產品設計的有效方案之一。提前預測疲勞危險點的位置及不同設計所造成的疲勞壽命差異，能大大節約企業開發成本及時間，建立虛擬驗證的基礎能力能在一些領域實現技術運用。本文詳細地對比分析了建立整車虛擬模型各軟件的優缺點、虛擬路面及虛擬環境的建模方式，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的基本思路，確定了整車建模、虛擬路面、虛擬環境的構造方法。研究表明，整車虛擬實驗仿真結果可為產品設計提供指導性意見。

關鍵詞：整車虛擬試驗場；整車建模；虛擬路面；虛擬環境

1 引言

車輛作為一個復雜的機械產品，其質量需要經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，因此汽車內部結構早已確定。如遇特殊情況，會影響汽車結構設計，從而導致汽車開發周期延長。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，也能實現在無樣車情況下進行各種場所試驗，大大降低了產品開發時間，也能針對問題進行重新設計，因此非常有必要建設整車虛擬試驗場。

目前常用基于ANSYS/LS-DYNA軟件二次開發的虛擬實驗技術——VPG技術。此法以整車為研究對象，輸入所需要的車速及模擬道路數據，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在三（雙）通道視景建模具有較大優勢，能夠高逼真還原環境真實情況，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，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，將真實性能參數代入模型進行建模[6]。

綜上所述，整車虛擬試驗場建設應選用MSC Adams虛擬樣機技術，建立準確的路面模型、輪胎模型及整車動力學模型，模擬各種工況下動力學分析，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，總結出虛擬試驗場建設所需的基礎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、白車身模型及非結構質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，將實際性能參數代入模型進行建模，通過相關約束構成懸架模型。

白車身模型較為復雜，難以在Adams軟件中生成及網格化，因此必須使用Hypermesh軟件進行網格劃分，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，應該包括強化試驗道路、高速環道、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

虛擬場景建設需以下元素構成：道路、天空、汽車、草地、樹木等。對于近景應繪制較為精細且逼真，但是為了優化軟件的實用性，遠景描述應該比較粗劣。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，按照規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，指導設計人員進行合理設計及布局，見圖6。

4 總結

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據，將分析部件與其動載荷數據及約束導入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性意見，節約企業開發成本及時間。此法是建立整車虛擬實驗目前最可靠的方法，可為下一步搭建整車虛擬實驗場提供理論基礎及指導意見。

參考文獻：

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[2]胡經國，剛憲約，張魯鄒，蘇炳鄰.VPG技術在汽車中的應用[J].農業裝備與車輛工程，2006，7：32-35.

[3]劉洋，曾雅訫.基于Multigreen Creator的汽車試驗場仿真技術在三（雙）通道視景建模具有較大優勢[J].科技視界，2013，20：41-42.

[4]楊國權，趙又群，郝鵬飛.車輛虛擬試驗場的路面建模方法研究[J].系統仿真技術，2010，06（3）：183-186.

[5]王惠玉，芮斌，鄭長國.基于ANSYS的車體、轉向架動力參數分析.

[6]何艷則.基于多體動力學的轎車扭轉梁懸架運動學及NVH特性下的參數匹配優化研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[7]涂小林.基于虛擬試驗場的白車身耐久性研究[D].湖南：湖南大學，2012.

[8]朱茂桃，嚴金霞，王國林，高翔.基于ADAMS的三維虛擬道路的再現[J].機械設計與制造，2010（6）：171-173.

[9]楊國權，趙又群，郝鵬飛.車輛虛擬試驗場的路面建模方法研究[J].系統仿真技術，2010，06（3）：183-186.