虚拟样机构建过程实践

车辆系统虚拟样机的构建一般经历以下几个过程[2]，如图1-2所示。

图1-2 虚拟样机的构建过程

1.模型建立

实际车辆系统的多体动力学分析模型的建立，包含的内容是非常丰富的：首先建立单个零部件的模型，包括刚体零部件的CAD 模型、柔性体零部件的有限元模型；然后利用所建的零部件模型，施加相互之间的约束，建立各个子系统模型；子系统模型按照一定的装配关系组合在一起，得到整车系统的仿真分析模型。而且，模型的建立并不是一次成功的，随设计的进程而不断地改进。在最初的概念设计阶段，所建立的系统模型往往比较简单，但求能够反映基本的设计要求，且系统的动力学性能是按照理想的设计数据曲线来匹配，而不考虑实际车辆系统能达到的性能数据。举例来说，设计车辆悬架系统时，在初始阶段，悬架系统的虚拟样机模型仅仅包含整个车身和一系列体现设计要求的车身与车轮之间运动关系的理想数据曲线，暂不考虑悬架的具体结构形式；在后期的模型完善时，要选择悬架的具体结构形式，并优化悬架系统结构中各零部件的物理和几何参数，使之尽可能符合设计的要求。

2.仿真分析

对实际的样车而言，性能的测试一般包含室内试验和道路试验。同样，虚拟样机的仿真分析也要完成相同的功能，针对室内测试，需要构建虚拟测试试验台；路面试验，要构建虚拟试验场地和跑道。虚拟样机的仿真分析只有与实际试验紧密配合，才能充分有效地发挥数字化功能样机技术的作用。

在虚拟样机开发的过程中，试验和仿真是即时进行的，而且在不同的开发阶段，内容和要求也是不一样的。

(1)准备阶段：零部件的测试试验，为整个系统的虚拟样机提供准确的零部件物理和几何特征参数；参考车辆的基本性能试验，为虚拟样机的设计和开发过程提供参考数据。

(2)概念设计阶段：按照车辆试验标准，进行基本性能的仿真分析，验证系统模型的基本参数和动力学性能参数。

一旦虚拟样机得到初步验证，样机参数的数值就开始趋于明朗。大量的系统或子系统的验证、零部件的选择以及性能参数的选择都可以通过仿真进行。(www.xing528.com)

仿真分析是功能性虚拟样机技术的重要组成部分，同时，在不同的开发阶段，还要进行必要的物理样机试验来验证模型的改进、测试零部件或产品的结构等。

3.试验验证

设计者能够根据虚拟样机仿真分析所提供的大量信息来快速做出正确决定的前提是这些信息必须能够真实地反映设计车辆的实际动力学性能，这就要求对系统的虚拟样机以及为建立虚拟样机而进行的假设进行严格的验证。典型的验证过程是首先对虚拟样机和参考车辆进行相同条件的试验，从而得到基本的性能参数；比较试验结果和仿真结果，标出其中有差异的地方，通过对虚拟样机进行灵敏度分析，找出设计参数中对性能影响大而且与试验结果不一致者；通过经验和计算机优化技术来改变这些参数，直至得到满意的结果。

4.改进

对虚拟样机的改进包括两部分：提高模型的精度和完善产品设计。下面分别介绍。

随产品的设计进程的发展，越来越多的系统功能要在虚拟样机中得以体现，得到细化。随要求的提高，模型会变得越来越精细，越来越复杂。举例来说，对于动力系统的设计，在最初阶段，多刚体模型的精度足以有效地处理速度、布置空间和发动机能量输出之间的关系，可以有效地进行驱动系统拓扑结构的选择和性能参数的设计；随开发过程的深入，要考虑噪声、舒适性和振动等因素，多刚体模型显然已不能满足要求，需进一步改进，例如考虑部件的柔性、添加液压系统以及引入控制系统的模型等。虚拟样机的模型必须能够适应各个子系统不同复杂程度和精度的要求。

虚拟样机经过验证，且能与各子系统有效的配合后，并不意味着任务的完成，还要对样机模型和子系统模型从设计原理上进行完善，在物理样机功能试验的基础上，进一步改进零部件的设计参数、系统的拓扑结构以及制造公差等。

5.模块化

以上过程可以有效降低产品开发费用，然而要达到同时减少开发时间的目的，还必须做到虚拟样机子系统建模的模块化。要达到虚拟样机模块化的程度，并不那么容易，它需要设计工程师、开发工程师、分析工程师、试验工程师等所有环节工作人员的密切配合。当然，模块化的回报也是巨大的。