探析計算機仿真5種方法在汽車工程中的應用

王麗華 高小煥 姚君霞

摘 ?要：計算機仿真5種方法包括基于數值模擬方法的仿真技術、基于MATKAB/Simulink的仿真技術、硬件在環仿真技術、高層體系結構技術和虛擬現實技術。文章分別研究以上5種計算機仿真技術在汽車工程中的應用情況，豐富汽車產品的使用功能、提高汽車運行性能，借助計算機仿真技術優越性促進汽車工程行業技術革新。

關鍵詞：計算機仿真技術;汽車工程;數值模擬

中圖分類號：TP391.9 ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨生活質量及科技水平，消費者對于汽車產品的需求更加多樣化。汽車系統構成復雜、零部件眾多，加上近年來不斷融入的自動化、智能化系統，其研發設計工作體量增加。為了在設計階段對汽車的性能、安全、舒適度等進行正確的預估，利用計算機仿真技術來模擬汽車行駛過程中可能遇到的各種環境和問題。檢驗設計參數的合理性，并對汽車系統做出優化。

1 基于數值模擬方法的仿真技術在汽車工程中的應用

數值模擬方法通常被用于汽車工程中結構設計、被動安全性能試驗、動力學仿真以及虛擬試驗場四個方面。

1.1 在結構設計中的應用

汽車結構設計需滿足產品在強度、性能、使用壽命等方面的要求，應用在結構設計階段的數值模擬方法主要是有限元方法和計算流體力學法，對汽車結構做最大限度的優化。例如，有限元軟件能夠精確計算汽車結構參數，適用范圍廣、分析深度大，通常被用在汽車結構低頻振動的模擬分析中。基于有限元方法，最具代表的模擬軟件為SYSNOISE，從軟件的發展狀態來看，更多的實踐成果來自汽車內部空間噪聲的控制，而在結構噪聲方面，該軟件還處于研究階段[1]。數值模擬方法的應用可實現汽車結構內全部零件的優化設計，進而提高結構的穩定性、荷載能力和耐久性，并降低行車過程中車內空間的噪音，帶來更加舒適、安全的行車體驗。結構上的優化還可明顯降低汽車的自重，達到節能降耗、降低汽車使用成本的目的。

1.2 在被動安全試驗中的應用

被動安全指的是當汽車發生不可避免的事故時，車內人員的安全，可降低事故對人員的傷害程度。被動安全屬性的提升需要進行大量的碰撞試驗，由于每一試驗樣本僅可使用1次，必然導致汽車研發時間和成本的上升。而利用數值模擬可在不開展實體試驗的情況下，對各種碰撞情況進行模擬，檢驗汽車的被動安全。當試驗進展到一定的階段，大致得出最佳的設計參數或方案時，再開展實體驗證，從而降低試驗成本。在試驗過程中，系統還可根據試驗結果，自動給出優化設計方案，減輕改進工作壓力，縮短研發周期。

1.3 在動力學仿真中的應用

在動力學仿真的模擬中，最常用的數值模擬軟件為Adams，其下設的Car模塊可在短時間內建立汽車系統模型，可視化動力學仿真研究過程，以得出實現車輛系統最佳操控性、穩定性和舒適性的設計參數。

1.4 在虛擬試驗場中的應用

在汽車生產行業，設有專門的試車場測試汽車產品，例如高速環形道路、坡道、耐久交變試驗道路等，均為汽車試車場的常規形式，用來檢測汽車的操控性能、耐久性等指標。將數值模擬仿真技術應用于虛擬試驗場中，可實現對汽車全部性能的仿真化檢驗。開展設計工作之前，獲取汽車樣本在不同路況中的行車數據，準確預估汽車性能。虛擬試驗場技術的應用是汽車工程領域系統分析水平的又一次提升，整車結構、輪胎、連接部件等均可被有效檢測。系統中還設有減震器、輪胎、安全氣囊等單元的數據庫，用于分塊模型的搭建。同時，虛擬試驗場技術還能對行車荷載進行模擬，提供不同標準、形式的試驗路面，并進行障礙物的設置，使得汽車的檢驗結果更為準確和可靠。

2 基于MATKAB/Simulink的仿真技術在汽車工程中的應用

MATKAB/Simulink技術的主要作用是對汽車的總體性能、行駛消耗、結構零部件運行質量等進行預估，其模擬的系統具備動態化特點，在連續時間系統、線性及非線性系統等均可使用[2]。該技術的應用對于汽車控制系統的研發和測試具備重要意義，結合實際情況對技術進行搭建和調整，直觀輸出仿真結果。依照流動方向，可將MATKAB/Simulink仿真技術劃分成前向和后向仿真。其中，前向仿真的數據流和系統能量流同向，從汽車駕駛員的實際需求出發，對系統運行情況進行檢驗。例如，駕駛員發出加速或制動信號，前向仿真即可模擬出真實環境中汽車各部件的調整、運行情況，給出真實的汽車系統狀態及邏輯結構，輔助汽車控制器的設計與研發。而后向仿真中數據流與系統能量流反向，可檢測系統的靜態特性，因此該類型的仿真技術常被用在能量控制方案的制定中。

3 硬件在環仿真技術在汽車工程中的應用

硬件在環仿真技術最開始被應用于高檔汽車領域，用來進行系統的設計、研發和測試。硬件在環仿真技術的應用原理是，用數學模型和描述部分仿真系統，將其轉化成仿真計算模型，其余的部分直接以物理模型的方式引入到仿真回路中，以實現更逼真的設備模擬效果。該技術最大優點是具備極高的時效性。硬件在環仿真系統由數據接收和發送傳感器、處理控制器、人機交互界面、后端仿真平臺構成。信號的輸入和輸出通常連續進行，因此需要將輸入信號轉化為數字形式。硬件在環仿真同時具備物理仿真和數學仿真的優點，但又沒有兩種仿真技術的缺陷，通過硬件與軟件之間的轉換，對汽車進行全車模擬。硬件在環仿真技術的應用可明顯縮短汽車產品開發周期，在測試階段，由于不涉及硬件的使用，因此對于研發成本的控制也非常有利。此外，該技術的應用可根據實際設計情況進行調整，減少出現安全風險的可能。硬件在環仿真技術可用于汽車子系統設計、綜合性能評價、功能測試等環節。

例如，電氣柴油控制器的測試活動，該結構的主要作用是對發動機中的噴油量和噴油時間進行控制。將其安裝在汽車系統中之前，需要通過硬件在環仿真系統的驗證。在硬件在環仿真系統中對進入電子柴油控制器的信號進行模擬，使用系統硬件完成實際信號的接收，盡量提升模擬結果的逼真程度。再以硬件在環仿真技術在汽車風洞試驗中的應用為例。用于汽車檢驗的風動可分為實體風洞、模型風洞以及氣候風洞三種。將汽車以一定的比例縮小，用于模型風洞試驗。制作不同比例縮小的汽車內、外模型，通過對比、分析、篩選，找出最佳設計方案。等模型試驗經過多次驗證且確定合格后，才開始1：1內、外模型的制作[3]。

4 高層體系結構技術在汽車工程中的應用

高層體系結構虛擬技術由美國研發，可實現應用層與環境的分離，充分提升技術的服務性能。同時，高層體系結構系統的適用程度較高，在汽車工程領域也有廣泛的應用。隨著理論研究的深入，高層體系結構仿真技術還被應用到無人駕駛汽車、軍事、航空航天等領域。相比較之下，該技術在汽車工程中的應用較少，但呈現不斷增長的趨勢。

5 虛擬現實技術在汽車工程中的應用

虛擬現實技術是一種較新的計算機仿真技術，在研發問世后，被廣泛應用于各行各業的工業生產活動中。該技術可在一定條件下，模擬真實環境，通過視覺、聽覺、觸覺等感官活動，帶來身臨其境的真實體驗。虛擬現實技術在汽車工程中的應用主要是模擬真實的駕駛環境，將數字化的汽車融合到虛擬出的真實環境中，開展汽車的仿真駕駛。過程中，駕駛員可真實感受汽車行駛過程中的振動、氣流、噪音等，模擬各種事故環境或突發狀況，研究汽車的安全性。對汽車駕駛中可能遇到的各種風險進行全方位的模擬，可在有效控制研發投資的基礎上，挖掘汽車設計漏洞，及時作出修改和調整，且模擬過程中不存在任何的危險。虛擬現實技術還可精確完成汽車整體結構或部分構成的模擬，利用高速動畫呈現試驗過程中汽車的各種動力反應、可操控性、駕駛舒適度、行車安全等情況，對汽車產品的結構、性能等做全面的分析。

6 結束語

計算機仿真技術在汽車工程中的融合程度受到技術發展水平以及汽車構造及性能發展趨勢的限制。目前，仿真技術在提升汽車綜合性能方面還存在很大的上升空間，結合汽車產業發展趨勢研發更多針對性、縱深性的仿真系統及軟件成為未來一項重點的研究任務。分析5種計算機仿真技術在汽車工程中的應用問題，明確技術及行業創新方向，促進計算機仿真技術及汽車工程行業的同時發展。

參考文獻：

[1]裴秀琴.計算機仿真技術的探究[J].電子世界，2018（02）：202+204.

[2]崔勝.計算機仿真技術的應用[J].電子技術與軟件工程，2017（20）：142.

[3]肖安鎮.車輛工程中虛擬技術的應用價值研究[J].時代汽車，2017（20）：63-64.