車(chē)輛工程中虛擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用

摘 要：在車(chē)輛工程研發(fā)設(shè)計(jì)階段，其耐久性試驗(yàn)是非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，不僅是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量合格的有效方式，而且還為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)給予了一定的參考價(jià)值。車(chē)輛工程中的耐久性試驗(yàn)歷經(jīng)了室內(nèi)的道路模擬以及外場(chǎng)的試驗(yàn)階段，然而隨著虛擬試驗(yàn)技術(shù)的提出，車(chē)輛工程耐久性試驗(yàn)又面臨著革命性的大躍進(jìn)。故本文通過(guò)對(duì)車(chē)輛生產(chǎn)過(guò)程中的虛擬試驗(yàn)技術(shù)分析，分析出了該技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的主要特征及載體，為車(chē)輛工程耐久性虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛工程；虛擬試驗(yàn)；技術(shù)；應(yīng)用

近年來(lái)，由于我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，硬件性能技術(shù)的精確，使得虛擬試驗(yàn)技術(shù)的使用得到了極大的推廣。在研究生產(chǎn)中，使用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，能有效提高研究產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)率，節(jié)省研究的成本，這是對(duì)研究技術(shù)的重大突破。最近幾年，車(chē)輛新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)廣泛的使用了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

1 虛擬試驗(yàn)技術(shù)

隨著我國(guó)科學(xué)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)越來(lái)越成熟。虛擬試驗(yàn)技術(shù)是屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種，在開(kāi)發(fā)之前，我國(guó)的研究人員在開(kāi)發(fā)是遇到了許多困難。由于我國(guó)的發(fā)展情況，對(duì)虛擬試驗(yàn)技術(shù)的認(rèn)識(shí)并不是很清晰，沒(méi)有一個(gè)明確的概念，這為研究帶來(lái)了困難。為了虛擬技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，我國(guó)研究人員重新定義了一個(gè)新的概念。將虛擬技術(shù)解釋為：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)作為平臺(tái)，并在使用中借用傳感器技術(shù)和各種科學(xué)并行技術(shù)的新型技術(shù)。對(duì)于虛擬技術(shù)來(lái)說(shuō)，它主要是依托計(jì)算機(jī)技術(shù)作為支撐后臺(tái)，讓人們能更加形象的聽(tīng)到和看到，就像真的一樣。但是虛擬技術(shù)還有技術(shù)沒(méi)有突破，存在了實(shí)際應(yīng)用的缺陷。虛擬技術(shù)研究工作人員在進(jìn)一步攻克難關(guān)，為顧客提供一個(gè)更加真實(shí)的體驗(yàn)環(huán)境，另外顧客還可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖片進(jìn)行交流討論，得到一個(gè)真實(shí)精確的體驗(yàn)。在研究過(guò)程中，工作人員主要遇到了兩個(gè)難題：第一，不同的研究對(duì)象有不同的信息內(nèi)容，所以要根據(jù)不同的信息內(nèi)容建立相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，再根?jù)相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑾鄳?yīng)的虛擬環(huán)境。比如說(shuō)，在建立一個(gè)汽車(chē)穩(wěn)定性能的虛擬試驗(yàn)中，要根據(jù)顧客提供的信息數(shù)據(jù)建立與之相應(yīng)的虛擬環(huán)境，工作人員在通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)得出虛擬環(huán)境的原型，盡可能使模型與顧客的期待相一致。近年來(lái)，虛擬技術(shù)在汽車(chē)工程中的廣泛使用，不僅使汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)節(jié)省了成本，還使汽車(chē)的研究技術(shù)得到了精確。虛擬技術(shù)的應(yīng)用形象具體，更有益于人民的理解，又可以多次應(yīng)用。所以虛擬技術(shù)是車(chē)輛工程研究的重點(diǎn)技術(shù)。

2 虛擬試驗(yàn)技術(shù)的主要特征

2.1 交互性及自主性

虛擬試驗(yàn)技術(shù)的試驗(yàn)和傳統(tǒng)試驗(yàn)有著一個(gè)較為顯著的區(qū)別，那就是虛擬試驗(yàn)技術(shù)的模式是動(dòng)態(tài)的，具有較好的交互性及自主性。虛擬試驗(yàn)為多媒體技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的有機(jī)組合，對(duì)實(shí)驗(yàn)者具有高度的自主性。

2.2 開(kāi)放性

虛擬試驗(yàn)技術(shù)的系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向客戶(hù)進(jìn)行開(kāi)放，同時(shí)實(shí)驗(yàn)者也可以自由的進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)，具有較好的開(kāi)放性。主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：其一，資源的開(kāi)放性。虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)儲(chǔ)存了較好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、各種各樣的虛擬試驗(yàn)環(huán)境以及各種各樣的試驗(yàn)器材等，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行自由選擇。其二，平臺(tái)的開(kāi)放性。是動(dòng)態(tài)的，具有較好的靈活性，實(shí)驗(yàn)者可以根據(jù)自身的需要，構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)K、試驗(yàn)器材以及試驗(yàn)環(huán)境等。

3 虛擬試驗(yàn)技術(shù)在車(chē)輛工程中的應(yīng)用

最近幾年來(lái)，汽車(chē)虛擬技術(shù)的研究主要是在汽車(chē)的輪胎模型、汽車(chē)系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)等等技術(shù)方面的應(yīng)用研究。

3.1 車(chē)輛輪胎模型的研究

汽車(chē)最重要的零件就是輪胎，這也是車(chē)輛研究的重點(diǎn)技術(shù)之一。我們都知道輪胎的作用對(duì)一輛車(chē)的性能影響之大。輪胎具有的性能：動(dòng)力性能、穩(wěn)定性、舒服性；這些性能對(duì)汽車(chē)的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。輪胎的生產(chǎn)是非常復(fù)雜的，車(chē)輛研究工程對(duì)輪胎的研究還沒(méi)有完善，這無(wú)疑是加大了困難。在對(duì)汽車(chē)輪胎的研究中最大的技術(shù)困難就是對(duì)輪胎的參數(shù)測(cè)量和建模研究，在現(xiàn)有的技術(shù)中，無(wú)法做到有效精確的建模。研究人員建立的輪胎模型，主要是描述輪胎的性能，極少涉及輪胎的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了改進(jìn)輪胎的缺陷，研究工作人員應(yīng)用了虛擬試驗(yàn)技術(shù)，利用虛擬技術(shù)分析輪胎運(yùn)行原理，這使得輪胎技術(shù)得到了重大進(jìn)步。虛擬技術(shù)可以模擬虛擬環(huán)境，測(cè)量輪胎在不同環(huán)境下的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)虛擬技術(shù)，模仿真實(shí)環(huán)境的汽車(chē)運(yùn)行?？梢詼y(cè)出輪胎在汽車(chē)在不同環(huán)境下的實(shí)際參數(shù)。

在 1999年，德國(guó)學(xué)者召開(kāi)了地面機(jī)械動(dòng)力大會(huì)，德國(guó)研究人員就形象的進(jìn)行了一次虛擬試驗(yàn)。德國(guó)研究工作人員進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)：利用一輛懸掛的卡車(chē)，是卡車(chē)在不同的路面上行駛來(lái)測(cè)量輪胎和地面的摩擦參數(shù)。在這個(gè)試驗(yàn)中，德國(guó)研究人員使用了FEM的虛擬模型試驗(yàn)，試驗(yàn)可以利用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出來(lái)。德國(guó)研究人員通過(guò)這次試驗(yàn)得到了全世界科學(xué)研究者的關(guān)注。我國(guó)研究人員在德國(guó)的實(shí)驗(yàn)中受到了啟發(fā)，在我國(guó)研究學(xué)者的輪胎虛擬試驗(yàn)中，我國(guó)研究人員也借鑒了德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)參數(shù)來(lái)表示輪胎在不同路況下的動(dòng)力參數(shù)。同時(shí)我國(guó)的研究人員借鑒經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也加入了自己的研究新成果，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，研究出適合中國(guó)的虛擬技術(shù)輪胎模型。

3.2 車(chē)輛系統(tǒng)可靠性、耐久性的虛擬試驗(yàn)

隨著我國(guó)研究人員的深入研究，虛擬技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。對(duì)于虛擬技術(shù)來(lái)說(shuō)，它應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。虛擬技術(shù)可以對(duì)一切事物進(jìn)行模型試驗(yàn)，尤其是那些經(jīng)濟(jì)成本較高又花時(shí)間的事物，利用虛擬技術(shù)可以節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，不浪費(fèi)時(shí)間。在虛擬環(huán)境中，利用了數(shù)學(xué)的非線(xiàn)性有限模型，這可以真正做到真實(shí)測(cè)量，真實(shí)試驗(yàn)。非線(xiàn)性有限模型分析了車(chē)輛在不同路況的疲勞數(shù)據(jù)。在這個(gè)輪胎疲勞試驗(yàn)中，要進(jìn)行分析三個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，三個(gè)數(shù)據(jù)是路況數(shù)據(jù)、車(chē)輛數(shù)量數(shù)據(jù)、行駛的疲勞數(shù)據(jù)。根據(jù)這三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確的得到輪胎的疲勞和可靠參數(shù)。比如說(shuō)，一輛車(chē)在不同的路況下進(jìn)行行駛，在這個(gè)過(guò)程中，可以將車(chē)輛加速、減速等操作來(lái)測(cè)試卡車(chē)的疲勞數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)利用電腦反映出來(lái)，形象直觀。目前來(lái)說(shuō)，研究車(chē)輛的可靠和耐久性上，美國(guó)和日本的研究最為透徹，這兩個(gè)國(guó)家前期也投入了大量的人力物力財(cái)力，才取得了這樣的成果，其中最受到關(guān)注的是日本的五十鈴汽車(chē)。

3.3 車(chē)輛工程中動(dòng)力學(xué)和操縱穩(wěn)定性之間的虛擬試驗(yàn)

在當(dāng)前，對(duì)于車(chē)輛工程而言，其動(dòng)力學(xué)和操縱穩(wěn)定性之間的虛擬試驗(yàn)分析主要采用的是ADMAS軟件，它可以實(shí)時(shí)性的反映出試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，但對(duì)于虛擬交互性的場(chǎng)景還存在一些缺陷。在對(duì)車(chē)輛工程中動(dòng)力學(xué)和操縱穩(wěn)定性間的研究，通過(guò)采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)，將具有非常多的優(yōu)點(diǎn)。比如說(shuō)，研究人員在對(duì)車(chē)輛工程中的動(dòng)力學(xué)和操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果中，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果可以覆蓋到不同受力情況下的胎痕變化上，并且這一試驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)試驗(yàn)圖像的方式展現(xiàn)出來(lái)。

在知名奔馳汽車(chē)企業(yè)中，已成功將虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于高透轎車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中。每一設(shè)計(jì)人員都要提供新車(chē)型和新零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)方案，就可以借助汽車(chē)汽車(chē)仿真器實(shí)行車(chē)輛工程仿真試驗(yàn)，進(jìn)而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)新型汽車(chē)的動(dòng)力特性。在我國(guó)，吉林工業(yè)大學(xué)創(chuàng)建的汽車(chē)動(dòng)態(tài)仿真器實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際上就是一個(gè)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的仿真器，其主要模塊分別有主控制臺(tái)、液壓運(yùn)動(dòng)的裝置、汽車(chē)駕駛模擬艙、動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)以及聲響零部件等在車(chē)輛動(dòng)態(tài)仿真器，能夠任意設(shè)置生產(chǎn)條件，特別是對(duì)車(chē)輛生產(chǎn)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以解決系統(tǒng)對(duì)駕駛員特征難以實(shí)現(xiàn)精確表述的困難，具有較好的重復(fù)性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果置信度較高，可比性較強(qiáng)。

3.4 虛擬試驗(yàn)技術(shù)仿真的應(yīng)用研究

在傳統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，其模型的創(chuàng)建和物理試驗(yàn)是分開(kāi)實(shí)行的，也就是在零件樣機(jī)模型創(chuàng)建之后進(jìn)行的物理試驗(yàn)，而后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題對(duì)樣機(jī)進(jìn)行修改。在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其每個(gè)零部件的要求都是非常嚴(yán)苛的，常需要企業(yè)投入大量的資金和時(shí)間。但當(dāng)企業(yè)采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)仿真時(shí)，可以通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)，模擬出零部件的形狀，而后根據(jù)模擬出來(lái)的汽車(chē)模型進(jìn)行安裝調(diào)整。要是車(chē)輛性能沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)的效果，可以對(duì)車(chē)輛設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，較好的降低了企業(yè)設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。同時(shí)虛擬模型可以替代原有的零部件，提高了汽車(chē)整體的穩(wěn)健性，且對(duì)原材料的需求得以降低。正是因?yàn)樘摂M試驗(yàn)技術(shù)仿真在實(shí)際生產(chǎn)中所具有的優(yōu)點(diǎn)，從而使各國(guó)企業(yè)均對(duì)虛擬試驗(yàn)環(huán)境發(fā)展的技術(shù)水平十分關(guān)注，并且將這一技術(shù)應(yīng)用在車(chē)輛模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中。比如說(shuō)，美國(guó)福企業(yè)創(chuàng)建了3個(gè)部門(mén)對(duì)虛擬試驗(yàn)進(jìn)行研究。

3.5 車(chē)輛碰撞與安全分析中虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究

由于車(chē)輛間的碰撞與安全性測(cè)試不僅危險(xiǎn)，而且成本也比較高，為此，通常都需要先采用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行仿真，而后在對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。當(dāng)前比較成熟的仿真軟件為CAE，可以較好的對(duì)車(chē)輛碰撞和安全性進(jìn)行分析，比如說(shuō)通過(guò)采用懸架的系統(tǒng)模型與向前的撞擊模型，可以對(duì)車(chē)輛受力路徑、機(jī)械變形以及撞擊能量吸收狀況進(jìn)行分析。但在VPC技術(shù)中，除了可以完成碰撞仿真與安全性分析之外，還可以對(duì)車(chē)輛翻轉(zhuǎn)碰撞進(jìn)行虛擬再現(xiàn)與分析。盡管車(chē)輛翻轉(zhuǎn)碰撞事故次數(shù)不是很多，但在事故發(fā)生過(guò)程中，往往都是十分致命的，為此，車(chē)輛工程中的虛擬試驗(yàn)技術(shù)成為其研究的主要方向。由數(shù)據(jù)資料顯示，基于VPG虛擬試驗(yàn)技術(shù)，當(dāng)汽車(chē)在高速公路上行駛過(guò)程中，當(dāng)被撞擊連續(xù)翻轉(zhuǎn)過(guò)程可以被模擬出來(lái)，并且效果非常逼真。同時(shí)，當(dāng)一車(chē)輛車(chē)速為50km/h行駛在高速公路上時(shí)，沖過(guò)了路邊的水溝，隨后行駛到了路邊的草地上，汽車(chē)嘗試返回到高速公路上，但卻沒(méi)有成功，該過(guò)程都被虛擬試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真了。在實(shí)際情況中，當(dāng)多輛車(chē)輛發(fā)生了撞擊而導(dǎo)致傾翻事故要比一輛汽車(chē)產(chǎn)生傾翻事故概率性要大，大約為73.5%對(duì)于多輛車(chē)輛碰撞的虛擬測(cè)試，日前正在進(jìn)行研究中。對(duì)于車(chē)輛碰撞與安全分析中虛擬試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究，主要包括了車(chē)輛模型研究、車(chē)輛防碰撞性的研究以及安全裝置模型的分析研究。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上可知，對(duì)于車(chē)輛工程中的虛擬試驗(yàn)技術(shù)而言，具有較好的應(yīng)用研究背景，但在當(dāng)前這一技術(shù)的發(fā)展并不是很成熟，需要科研人員對(duì)其進(jìn)行不斷的完善。相信在未來(lái)的研究過(guò)程中，虛擬試驗(yàn)技術(shù)可以在車(chē)輛工程中扮演重要的角色。

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作者簡(jiǎn)介：范鵬飛（1995），男，江蘇鹽城人，江蘇大學(xué)本科在讀，研究方向：車(chē)輛工程。