梅赛德斯C级有限元模型发展与行驶动力学观察

1.方案综合过程

开发小组在早期只是以粗略的说明产品的形式来表示确定的目标。如开头提到的通过迭代优化过程从众多方案中确定目标方案。这种方案综合过程的特征是竞争的各种方案可以在子系统层面、各子系统的设计集成和整车方案的适应性方面对比评价。

根据使用有效的方法和工具，按工程、功能、经济性等准则评价所选择的方案。

2.数字样车

数字样车将所有CAE范围的项目联系起来，以在开发阶段早期就以虚拟形式表示、测试和改进汽车功能。

汽车的一些重要功能为：

1）行驶功率、燃料消耗、有害物质排放。

2）结构强度。

3）摆动/振动/噪声。

4）使用强度/寿命。

5）主动安全性（行驶动力学、驾驶人辅助系统）。

6）被动安全性（碰撞友好性、乘员保护/安全带拉回系统、行人保护）。

7）流动（空气动力学/动力总成冷却/空调）。

只要是简单的计算问题，如行驶功率预测、燃料消耗预测，可以用PC或工作站完成。

复杂的三维整车仿真则需要较强计算能力的计算机，如超级计算机、强计算能力计算机或各计算机组合的集群（Cluster）计算机，配备很多处理器和存储器。

所用的计算机视计算问题的计算时间而定。

“过夜”计算复杂仿真的目标是为了分析以及能在次日工作日就能得到结果。(www.xing528.com)

图10.2-1 梅赛德斯C级有限元网格模型

计算机技术飞速发展，目前可以仿真几百万有限元（FE）的大模型的工程问题，模型精度在最近15年提高了100倍，所以模型的状态达到数千Gigabytes（数万亿字节）的数据量（图10.2-1）。

为体验早期开发汽车状态，工程师除使用仿真计算外，还使用现代模拟器技术。它用虚拟逼真法（VR—Virtual Reality Methode）在真实的样车制造前可构建虚拟的“试验行驶”。利用人机工程学试验台可很快表示和修改车型尺寸方案。试验驾驶人坐在其中的位置上完成规定的行驶任务，并感受人机工程学和心理学，以评价座椅、视野舒适性和周围的操纵/操作系统和显示系统。VR技术实时地用公路、城市、地区场景激励当前的汽车行驶环境。行驶动力学模型是汽车行驶的物理基础，它实时处理转向、踏板和换档等控制参数的相互作用，并传到屏幕上。

另外还有一个行驶模拟器，在试验行驶时该模拟器通过复杂的运动系统重新调整汽车运动。这时汽车激励主要有两种情况。

第一种情况是驾驶人没有转向行驶。这时汽车主要由行驶路面状态激励，激励频率为（0.2～30）Hz。

汽车激励的第二种情况称为“转向动作（Handling）”激励。这时要分析由于驾驶人的转向动作（如车道保持、弯道行驶）激励的后果，频率范围为（0～5）Hz。

在试验驾驶人身上得到的力和加速度像在真实的试验行驶时得到的力和加速度一样。

汽车数据与真实试验路段状态信息相互配合可给工程师们新车型的“行驶”感觉。就此，专家们在虚拟的试验路段试验行驶几千千米。在真实的样车上进行危及安全的行驶试验前，在DPT的帮助下可在计算机中再现重要的行驶动作和制动动作。

这样的汽车开发顺序可节省开发时间，并在整车方案设计时帮助识别目标冲突以及尽早评价排除目标冲突的思路。

3.工具

在早期开发阶段所用的工具与批量生产开发阶段所用的工具是不同的。因为是在很多未知系统基础上开始设计的。所以以有效的方式建立组装模型、几何模型和计算模型，从粗到细的开发顺序十分重要。利用这些模型可以保证所有性能（如行驶动力学性能、行驶舒适性、冷却、空调和零件温度）在相应的范围^[1]。这样也可加快在这阶段的修改周期。简单的公式如静态稳定因子（参见10.2.3小节）和为得到碰撞能量平衡的几何推导是建立新方法和评价方案的基础。有参数功能的工具通过改变参数（如重要的主要质量、舒适性质量）可很快选择出汽车方案^[2]。

主要的挑战是几何和物理间的相互作用。目前的CAD系统提供几何模型参数化功能。少许改变各个参数值会引起整个3D设计改变。这些改变是自动完成的。通过连接程序接口可传输改变的几何模型，这些连接程序根据任务设置自动进行几何模型的连接。传递力和支撑的边界条件和约束条件使连接的几何模型成为物理CAD功能分析的输入数据组^[3]。

所用的仿真工具可用于方案开发（早期开发）和批量生产开发。两者的差别在于输入数据的细化。这样，在行驶功率分析和燃料消耗分析时可从现有的发动机功率和现有的汽车总重量（毛重量）外推出未来的发动机功率。在行驶动力学观察方面，以汽车总重量重心值和第一车桥运动学为依据。模型则使用其他汽车的类比法（车桥计算的运动学特征值或弹性运动学特征值）。边界值是方案特有的，根据车桥方案还要考虑间隙^[5]。按照汽车开发流程，使用汽车数据（输入数据）计算刚度、强度、振动、碰撞。解释计算结果需要工程师的很多经验。

汽车物理模型也称为数字样车，它是逐渐细化和完整的。数字样车在使用已知的边界条件和特征值情况下可对汽车的所有重要性功能作出评价。在开发汽车的以后过程，数字样车逐渐被物理样车替代，以能够进行真实的试验（如行驶试验等）。

现代优化方法（拓扑优化、壁厚优化……）、灵敏度分析直至多学科法支持确定方案并为提高方案成熟度作出贡献。