王業(yè)飛 陳喜亮

摘 要：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的融合程度受到技術(shù)發(fā)展水平以及汽車構(gòu)造及性能發(fā)展趨勢(shì)的限制。目前，仿真技術(shù)在提升汽車綜合性能方面還存在很大的上升空間，結(jié)合汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)研發(fā)更多針對(duì)性、縱深性的仿真系統(tǒng)及軟件成為未來(lái)一項(xiàng)重點(diǎn)的研究任務(wù)。分析5種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用問(wèn)題，明確技術(shù)及行業(yè)創(chuàng)新方向，促進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及汽車工程行業(yè)的同時(shí)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);汽車工程;數(shù)值模擬

0 引言

計(jì)算機(jī)仿真5種方法包括基于數(shù)值模擬方法的仿真技術(shù)、基于MATKAB/Simulink的仿真技術(shù)、硬件在環(huán)仿真技術(shù)、高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。文章分別研究以上5種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用情況，豐富汽車產(chǎn)品的使用功能、提高汽車運(yùn)行性能，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)優(yōu)越性促進(jìn)汽車工程行業(yè)技術(shù)革新。

1 基于數(shù)值模擬方法的仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

數(shù)值模擬方法通常被用于汽車工程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、被動(dòng)安全性能試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)仿真以及虛擬試驗(yàn)場(chǎng)四個(gè)方面。

1.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足產(chǎn)品在強(qiáng)度、性能、使用壽命等方面的要求，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的數(shù)值模擬方法主要是有限元方法和計(jì)算流體力學(xué)法，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)做最大限度的優(yōu)化。例如，有限元軟件能夠精確計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)，適用范圍廣、分析深度大，通常被用在汽車結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)的模擬分析中?；谟邢拊椒?，最具代表的模擬軟件為SYSNOISE，從軟件的發(fā)展?fàn)顟B(tài)來(lái)看，更多的實(shí)踐成果來(lái)自汽車內(nèi)部空間噪聲的控制，而在結(jié)構(gòu)噪聲方面，該軟件還處于研究階段[1]。

1.2 在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中的應(yīng)用

在汽車生產(chǎn)行業(yè)，設(shè)有專門的試車場(chǎng)測(cè)試汽車產(chǎn)品，例如高速環(huán)形道路、坡道、耐久交變?cè)囼?yàn)道路等，均為汽車試車場(chǎng)的常規(guī)形式，用來(lái)檢測(cè)汽車的操控性能、耐久性等指標(biāo)。將數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車全部性能的仿真化檢驗(yàn)。開(kāi)展設(shè)計(jì)工作之前，獲取汽車樣本在不同路況中的行車數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)估汽車性能。

1.3 在被動(dòng)安全試驗(yàn)中的應(yīng)用

被動(dòng)安全指的是當(dāng)汽車發(fā)生不可避免的事故時(shí)，車內(nèi)人員的安全，可降低事故對(duì)人員的傷害程度。被動(dòng)安全屬性的提升需要進(jìn)行大量的碰撞試驗(yàn)，由于每一試驗(yàn)樣本僅可使用1次，必然導(dǎo)致汽車研發(fā)時(shí)間和成本的上升。而利用數(shù)值模擬可在不開(kāi)展實(shí)體試驗(yàn)的情況下，對(duì)各種碰撞情況進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)汽車的被動(dòng)安全。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)展到一定的階段，大致得出最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)或方案時(shí)，再開(kāi)展實(shí)體驗(yàn)證，從而降低試驗(yàn)成本。在試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)還可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，自動(dòng)給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減輕改進(jìn)工作壓力，縮短研發(fā)周期。

1.4 在動(dòng)力學(xué)仿真中的應(yīng)用

在動(dòng)力學(xué)仿真的模擬中，最常用的數(shù)值模擬軟件為Adams，其下設(shè)的Car模塊可在短時(shí)間內(nèi)建立汽車系統(tǒng)模型，可視化動(dòng)力學(xué)仿真研究過(guò)程，以得出實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)最佳操控性、穩(wěn)定性和舒適性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 基于MATKAB/Simulink的仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

MATKAB/Simulink技術(shù)的主要作用是對(duì)汽車的總體性能、行駛消耗、結(jié)構(gòu)零部件運(yùn)行質(zhì)量等進(jìn)行預(yù)估，其模擬的系統(tǒng)具備動(dòng)態(tài)化特點(diǎn)，在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、線性及非線性系統(tǒng)等均可使用[2]。該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于汽車控制系統(tǒng)的研發(fā)和測(cè)試具備重要意義，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)技術(shù)進(jìn)行搭建和調(diào)整，直觀輸出仿真結(jié)果。依照流動(dòng)方向，可將MATKAB/Simulink仿真技術(shù)劃分成前向和后向仿真。其中，前向仿真的數(shù)據(jù)流和系統(tǒng)能量流同向，從汽車駕駛員的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 硬件在環(huán)仿真技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

硬件在環(huán)仿真技術(shù)最開(kāi)始被應(yīng)用于高檔汽車領(lǐng)域，用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和測(cè)試。硬件在環(huán)仿真技術(shù)的應(yīng)用原理是，用數(shù)學(xué)模型和描述部分仿真系統(tǒng)，將其轉(zhuǎn)化成仿真計(jì)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(shí)現(xiàn)更逼真的設(shè)備模擬效果。該技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是具備極高的時(shí)效性。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接收和發(fā)送傳感器、處理控制器、人機(jī)交互界面、后端仿真平臺(tái)構(gòu)成。信號(hào)的輸入和輸出通常連續(xù)進(jìn)行，因此需要將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。硬件在環(huán)仿真同時(shí)具備物理仿真和數(shù)學(xué)仿真的優(yōu)點(diǎn)，但又沒(méi)有兩種仿真技術(shù)的缺陷，通過(guò)硬件與軟件之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)汽車進(jìn)行全車模擬。硬件在環(huán)仿真技術(shù)的應(yīng)用可明顯縮短汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，在測(cè)試階段，由于不涉及硬件的使用，因此對(duì)于研發(fā)成本的控制也非常有利。此外，該技術(shù)的應(yīng)用可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況進(jìn)行調(diào)整，減少出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的可能。硬件在環(huán)仿真技術(shù)可用于汽車子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、綜合性能評(píng)價(jià)、功能測(cè)試等環(huán)節(jié)。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種較新的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在研發(fā)問(wèn)世后，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中。該技術(shù)可在一定條件下，模擬真實(shí)環(huán)境，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官活動(dòng)，帶來(lái)身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用主要是模擬真實(shí)的駕駛環(huán)境，將數(shù)字化的汽車融合到虛擬出的真實(shí)環(huán)境中，開(kāi)展汽車的仿真駕駛。

5 高層體系結(jié)構(gòu)技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

高層體系結(jié)構(gòu)虛擬技術(shù)由美國(guó)研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與環(huán)境的分離，充分提升技術(shù)的服務(wù)性能。同時(shí)，高層體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的適用程度較高，在汽車工程領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。隨著理論研究的深入，高層體系結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)還被應(yīng)用到無(wú)人駕駛汽車、軍事、航空航天等領(lǐng)域。相比較之下，該技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用較少，但呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨生活質(zhì)量及科技水平，消費(fèi)者對(duì)于汽車產(chǎn)品的需求更加多樣化。汽車系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、零部件眾多，加上近年來(lái)不斷融入的自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)，其研發(fā)設(shè)計(jì)工作體量增加。為了在設(shè)計(jì)階段對(duì)汽車的性能、安全、舒適度等進(jìn)行正確的預(yù)估，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬汽車行駛過(guò)程中可能遇到的各種環(huán)境和問(wèn)題。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，并對(duì)汽車系統(tǒng)做出優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴秀琴.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的探究[J].電子世界，2018（02）：202+204.

[2]崔勝.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（20）：142.