吳艷新　李杰成　葉科

摘 要：整車(chē)試驗(yàn)是確保產(chǎn)品疲勞壽命的必要手段，也是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效方案之一。提前預(yù)測(cè)疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的位置及不同設(shè)計(jì)所造成的疲勞壽命差異，能大大節(jié)約企業(yè)開(kāi)發(fā)成本及時(shí)間，建立虛擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)能力能在一些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)運(yùn)用。本文詳細(xì)地對(duì)比分析了建立整車(chē)虛擬模型各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)、虛擬路面及虛擬環(huán)境的建模方式，基于成本、時(shí)間及可靠性原則清晰地整理出整車(chē)虛擬試驗(yàn)建設(shè)的基本思路，確定了整車(chē)建模、虛擬路面、虛擬環(huán)境的構(gòu)造方法。研究表明，整車(chē)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)；整車(chē)建模；虛擬路面；虛擬環(huán)境

1 引言

車(chē)輛作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，其質(zhì)量需要經(jīng)過(guò)多種試驗(yàn)得以保證。其中汽車(chē)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)都是通過(guò)先制造樣車(chē)后進(jìn)行各類(lèi)試驗(yàn)，因此汽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)早已確定。如遇特殊情況，會(huì)影響汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平得到提高，新型汽車(chē)試驗(yàn)法也得到不斷提高，如虛擬試驗(yàn)場(chǎng)[1]。此方法不需要占用各種資源及任何成本，也能實(shí)現(xiàn)在無(wú)樣車(chē)情況下進(jìn)行各種場(chǎng)所試驗(yàn)，大大降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，也能針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因此非常有必要建設(shè)整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)。

目前常用基于ANSYS/LS-DYNA軟件二次開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)——VPG技術(shù)。此法以整車(chē)為研究對(duì)象，輸入所需要的車(chē)速及模擬道路數(shù)據(jù)，并考慮各種非線(xiàn)性因素，因此疲勞分析精度較高，不過(guò)此法在整車(chē)彈性體建模精度上存在較大誤差?；贛ultigreen Creator的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)仿真技術(shù)在三（雙）通道視景建模具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠高逼真還原環(huán)境真實(shí)情況，不過(guò)對(duì)于整車(chē)耐久性試驗(yàn)并不適用，且較難分析某部件的疲勞程度。以上文獻(xiàn)都能進(jìn)行整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)，但基于ANSYS和Multigreen Creator不能進(jìn)行彈性體建模，而精確的整車(chē)模型需要建立彈簧、懸置、橡膠襯套等彈性部件，因此選用實(shí)體辨識(shí)法對(duì)彈性體樣件進(jìn)行性能測(cè)試，將真實(shí)性能參數(shù)代入模型進(jìn)行建模[6]。

綜上所述，整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)應(yīng)選用MSC Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立準(zhǔn)確的路面模型、輪胎模型及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，模擬各種工況下動(dòng)力學(xué)分析，提取硬點(diǎn)動(dòng)載荷后對(duì)零部件進(jìn)行疲勞分析，此思路能為下一步虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的具體建設(shè)提供思路，見(jiàn)圖1。

2 整車(chē)虛擬試驗(yàn)

整車(chē)虛擬試驗(yàn)按照功能領(lǐng)域劃分可分為整車(chē)耐久、整車(chē)性能、整車(chē)臺(tái)架、主動(dòng)安全及主動(dòng)駕駛等方面。將以上功能模塊按照?qǐng)D1進(jìn)行能力化分解，總結(jié)出虛擬試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)所需的基礎(chǔ)能力包含有虛擬樣車(chē)、虛擬路面和虛擬場(chǎng)景。

2.1 虛擬樣車(chē)

要先進(jìn)行整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，最重要的是建立一部虛擬樣車(chē)。樣車(chē)整體建模分為懸架模型、白車(chē)身模型及非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模型三大模塊分別建模。懸架模型中彈性體需要用實(shí)體辨識(shí)法測(cè)試真實(shí)樣本特性，將實(shí)際性能參數(shù)代入模型進(jìn)行建模，通過(guò)相關(guān)約束構(gòu)成懸架模型。

白車(chē)身模型較為復(fù)雜，難以在Adams軟件中生成及網(wǎng)格化，因此必須使用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成白車(chē)身模型[7]，見(jiàn)圖2所示。

2.2 虛擬路面

想要對(duì)虛擬樣車(chē)進(jìn)行綜合性試驗(yàn)需要試驗(yàn)道路比較全面，應(yīng)該包括強(qiáng)化試驗(yàn)道路、高速環(huán)道、耐久性試驗(yàn)路、ABS制動(dòng)試驗(yàn)路及其他類(lèi)型路面，同時(shí)要求布局合理。目前主要通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)3D掃面進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路信息收集[10]，見(jiàn)圖3。

2.3 虛擬場(chǎng)景

虛擬場(chǎng)景建設(shè)需以下元素構(gòu)成：道路、天空、汽車(chē)、草地、樹(shù)木等。對(duì)于近景應(yīng)繪制較為精細(xì)且逼真，但是為了優(yōu)化軟件的實(shí)用性，遠(yuǎn)景描述應(yīng)該比較粗劣。對(duì)場(chǎng)景中樹(shù)木、草地、標(biāo)志等進(jìn)行繪制，將道路與場(chǎng)景通過(guò)一定形式將其整合成符合要求的場(chǎng)景，見(jiàn)圖4。

3 整車(chē)試驗(yàn)應(yīng)用

將虛擬樣車(chē)、虛擬路面及虛擬場(chǎng)景通過(guò)模型整合形成虛擬試驗(yàn)場(chǎng)。輸入動(dòng)力參數(shù)，按照規(guī)定的試驗(yàn)工況行駛進(jìn)行虛擬樣車(chē)綜合性試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。

在Adams軟件中獲取底盤(pán)與車(chē)身連接硬點(diǎn)間的動(dòng)載荷分布圖，將各部件所受到的動(dòng)載荷在有限元軟件中進(jìn)行加載，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)約束，進(jìn)行整車(chē)零部件疲勞耐久分析，提供解決問(wèn)題的有效思路，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理設(shè)計(jì)及布局，見(jiàn)圖6。

4 總結(jié)

基于Adams軟件進(jìn)行整車(chē)虛擬實(shí)驗(yàn)，得到各零部件間連接處硬點(diǎn)的動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，將分析部件與其動(dòng)載荷數(shù)據(jù)及約束導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞計(jì)算，可為汽車(chē)方案修改給與指導(dǎo)性意見(jiàn)，節(jié)約企業(yè)開(kāi)發(fā)成本及時(shí)間。此法是建立整車(chē)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)壳白羁煽康姆椒?，可為下一步搭建整?chē)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)提供理論基礎(chǔ)及指導(dǎo)意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宗振奇.虛擬技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（6）：49-52.

[2]胡經(jīng)國(guó)，剛憲約，張魯鄒，蘇炳鄰.VPG技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2006，7：32-35.

[3]劉洋，曾雅訫.基于Multigreen Creator的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)仿真技術(shù)在三（雙）通道視景建模具有較大優(yōu)勢(shì)[J].科技視界，2013，20：41-42.

[4]楊國(guó)權(quán)，趙又群，郝鵬飛.車(chē)輛虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的路面建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，06（3）：183-186.

[5]王惠玉，芮斌，鄭長(zhǎng)國(guó).基于ANSYS的車(chē)體、轉(zhuǎn)向架動(dòng)力參數(shù)分析.

[6]何艷則.基于多體動(dòng)力學(xué)的轎車(chē)扭轉(zhuǎn)梁懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)及NVH特性下的參數(shù)匹配優(yōu)化研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[7]涂小林.基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的白車(chē)身耐久性研究[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.

[8]朱茂桃，嚴(yán)金霞，王國(guó)林，高翔.基于ADAMS的三維虛擬道路的再現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（6）：171-173.

[9]楊國(guó)權(quán)，趙又群，郝鵬飛.車(chē)輛虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的路面建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，06（3）：183-186.