科普作者伍赛特分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wusaite 基层打工人,学历较低,资历较浅,能力有限,所有已发表文章只能用于专业科普,望各位专家学者高抬贵手

博文

虚拟样机技术在汽车及军用车辆领域的应用

已有 2941 次阅读 2019-8-7 18:25 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 虚拟样机, 汽车, 军用车辆, 履带车辆, 装甲车辆

虚拟样机技术在汽车及军用车辆领域的应用

伍赛特

 

0 引言

高速履带车辆作为一种军用特种车辆,具备强大的攻击火力、高度的越野机动性和坚强的装甲防护力,是主要的地面突击兵器,也是世界各国地面武器装备研制与发展的重点。经过近百年的发展,高速履带车辆已经成为一种通用的越野机动平台,在军队武器装备体系中起着举足轻重的作用。现代战争对高速履带车辆的性能要求不断提高,使得履带车辆动力学性能的研究成为一项重要课题。车辆地面力学、车辆动力学、多体动力学理论的逐步发展与完善,建模与仿真技术、计算机软硬件技术的飞速发展共同促进了高速履带车辆动力学性能研究模式的转变,建立反映高速履带车辆动力学特性的虚拟样机模型并进行仿真分析已经成为一种新的技术手段。

履带车辆系统虚拟样机技术是高速履带车辆设计研制与计算机建模仿真技术完美结合的产物。虚拟样机技术可广泛应用于履带车辆的方案论证、工程研制、设计定型的各个环节中。在论证与方案阶段,通过建立履带车辆方案虚拟样机模型,完成车辆总体设计方案的动态特性仿真演示,实现设计方案原理样车总体性能及战术技术性能的预测与评估;能够进行多种原理样车方案的性能比较及多方案优选,确保以最优方案作为工程研制阶段的起点;同时还能为《研制任务书》和《研制方案论证报告》的制定和细化提供技术支撑。

在工程研制阶段,基于建立的履带车辆虚拟样机模型,实现对研制阶段物理样车各项性能指标的全程监控;为研制过程中出现的技术难题、故障现象从理论途径上提供分析研究方法,指导并制定解决方案;通过开展各部件、各分系统以及总体的综合匹配研究,为物理样车的研制寻求总体最优的设计方案;开展物理样车设计方案性能的评估与预测,为检验物理样车是否符合《研制任务书》要求及达到设计定型条件提供科学依据;同时,能够在具体的结构设计中,直接指导和参与零部件设计参数的分析、优化与改进,以提高履带车辆的设计质量。在设计定型阶段,逐步细化的虚拟样机模型能够与履带车辆设计定型试验同步,为车辆战技性能指标的考核与评估提供参考和补充;通过履带车辆虚拟试验,能够减少甚至代替部分实车试验,尤其是极限工况、破坏性及危险性工况以及特殊要求的试验工况下的实车试验,从而确保试验车辆及人员的安全;同时,还能为军方对设计定型报告、设计定型试验报告以及车辆性能进行全面的鉴定与审查提供评估手段。

开展履带车辆虚拟样机技术研究,并将其应用到高速履带车辆的论证、设计与研制中,对于缩短车辆的研制周期,降低研制成本,提高车辆的研制质量,实现装备建设“又好又快”地发展,具有重要的推动与促进作用、2)。

 

1 虚拟样机技术及其在车辆领域的应用现状

虚拟样机技术(Vinual Prototyping Technology)是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法,这些数字化模型即虚拟样机(Virtual Prototyping)将不同工程领域的开发模型结合在一起,它从外观、功能和行为上模拟真实产品,支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现,是一项基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术是在CAX(如CADCAMCAE等)、DFX(如DFADFM等)技术基础上的发展,它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术,将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统,并对它们进行综合管理,从系统的层面来分析复杂系统,支持“由上至下”的复杂系统开发模式。

虚拟样机技术是面向系统设计的、应用于基于仿真设计过程的技术,包含数字化物理样机、功能化虚拟样机和虚拟工厂仿真三个方面内容。数字化物理样机对应于产品的装配过程,用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能;功能化虚拟样机对应于产品分析过程,用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能;虚拟工厂仿真对应于产品制造过程,用于评价产品的制造性能。而功能化虚拟样机技术是对整个产品性能进行优化设计,是基于系统的优化设计,能通过虚拟试验精确、快捷地预测产品整机性能。

功能化虚拟样机技术大致可分为基于多体/有限元理论的功能化虚拟样机技术和基于多领域物理的功能化虚拟样机技术。基于多体/有限元理论的功能化虚拟样机技术着重解决产品的动力学、变形、强度和寿命等问题;基于多领域物理的功能化虚拟样机技术着重解决产品的动力学与控制、机电热化学能等能量流传递与控制以及产品的各种控制策略问题。随着科学技术的发展,单一的机械产品越来越少,大部分产品都是机、电、液压和控制集成的复杂产品。因此,基于多领域物理的功能化虚拟样机技术将起到更加重要的作用。

机械工程中的虚拟样机技术,是国际上在20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术。它主要包括两大部分:基于计算机的机械零部件自动化设计及结合加工代码自动生成的虚拟加工制造技术;基于计算机软件开发的机械系统功能化样机技术,也就是在计算机上建立功能化的机械系统样机模型,利用该虚拟模型能够实现对其各种动态性能的分析和评估,实现多种设计方案的比较和筛选,改进样机设计方案,使虚拟样机在某种程度上可以代替传统的物理样机。

虚拟样机技术已经在美国、德国、日本等一些发达国家得到广泛应用,应用领域涉及从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。

 

2 虚拟样机技术在汽车领域的应用

汽车工业传统设计方法在按照设计者意图试制出样车后,要进行大量的试验与分析,据此改进最初设计,再进行新一轮的试制与试验,经过反复修改才能定型,最后才能投人生产准备。在车辆系统设计研制过程中,采用虚拟样机技术,建立车辆系统的仿真模型即“虚拟样机”,将车辆作为一个完整的控制系统进行分析与研究,就可掌握部件结构参数与整车性能之间的相互关系;在某车型的样车即“物理样车”试制出来之前,即可对其系统性能进行预测与评估,以进行可行性研究和优化设计;在结构设计阶段,通过修改零部件设计参数后重新进行仿真,可直接指导和参与零部件设计参数的分析、优化与改进,以提高设计质量;利用仿真模型进行模拟试验,从而减少试制、试验的轮次,节省设计经费、缩短设计周期;基于仿真模型的模拟试验,还可用于替代难于进行的危险性试验,或用于模拟再现事故的发生等。

汽车领域的虚拟样机技术为满足车辆系统不同的设计研制要求,开发了多种基于多软件系统的专业化分析设计模块。基于多柔体系统理论、面向汽车机械系统设计和动态性能分析的软件系统及专业化模块,可以进行整车快速建模,并针对操纵稳定性、平顺性和制动性等性能进行虚拟试验场建模以及动态仿真分析。

参照实车试验标准,根据典型实际工况下采集的物理数据,可以建立包括各种操纵稳定性国标试验工况,平顺性时域、频域分析试验工况,以及直线制动、转弯制动工况的虚拟试验场,使车辆虚拟样机能在虚拟试验场环境下逼真地模拟车辆的各种动态性能。结合车辆虚拟样机与虚拟试验场,可以提供操纵稳定性、平顺性和制动性的动态仿真控制界面,利用分析结果通过高速动画直观地显示各种试验工况下的整车动力学响应,并输出表征整车动态性能的特征参数,实现完整的虚拟样机试验分析。

基于多领域物理系统、面向汽车控制系统设计和动态性能分析的系统及专业化模块,可以提供整车参数化建模及仿真工况库,针对各种车辆的动力性、燃油经济性和排放性进行仿真分析,并能实现整车动力、传动系统和多能源控制策略的优化。传统汽车以及正在积极发展的混合动力汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车,都是由机械、电子、液压、动力和控制等不同领域系统形成的复杂产品。对这些汽车的动力性、燃油经济性和排放性进行分析时,需在基于多柔体系统的虚拟样机系统基础上,考虑不同领域系统之间能量流、物理信号流的传递与控制,建立基于多领域物理系统的虚拟样机进行仿真分析。

面向动力性、燃油经济性和排放性分析进行虚拟样机参数化建模,基于经验或理论模型,建立发动机、电池、电机、变速器、主减速器及车轮等系统的参数化模型,进一步根据整车的拓扑结构建立有限种类的整车参数化模型。建立符合国际标准及国家标准的整车仿真试验工况库,进而完成车辆系统虚拟样机建模,选定仿真试验工况后,进行整车动力性、燃油经济性、排放性等性能的仿真分析,并对发动机、电池、电机的功率分配进行优化匹配,对整车动力传动系统和多能源控制策略进行优化设计。

    在“车辆—道路”相互作用领域,一般参考车辆平顺性研究中采用的车辆数字仿真模型,可以采用虚拟样机的研究方法,进行“虚拟试验场”(Virtual ProvingGroundVPG)式的仿真分析,达到类似实车测试方法中“道路负荷测试垫”的效果;而只要建模参数具备,且经过一定校验过程,就不需另外进行复杂、昂贵的实车试验。

国外早就开始了汽车行业虚拟样机技术的研究与应用工作,并形成了系列化、商业化的汽车虚拟样机系统仿真软件,这是汽车领域运用虚拟样机新技术的大趋势。美国福特汽车公司早在20世纪70年代末就已在其新开发的轻型车上采用了这项技术,之后,通用、克莱斯勒等汽车公司及德国、日本等国的车辆公司,都纷纷开始研究与应用虚拟样机技术。各大汽车公司都投巨资构建其高度自动化的虚拟样机系统,有近30家大汽车公司拥有二次开发的ADAMS/Car系统用于整车的设计与开发。目前,这些先进的汽车公司都已将虚拟样机技术广泛应用于新产品开发,该技术已从研究、支持发展成为产品开发中的成熟技术。

 

3 虚拟样机技术在军用车辆领域的应用

军用车辆的虚拟样机技术起源于对车辆设计研制阶段性能评估与系统优化的强烈需求。早在20世纪50年代,美国Michigan大学已开始应用仿真技术对坦克和军用卡车悬挂系统的动力学性能进行分析。20世纪70年代,美国Iowa大学进行了“武器—车辆动态系统的建模求解”和“坦克火炮稳定系统优化程序”等专项研究工作,建立了相应的仿真分析模型;同一时代,美国陆军坦克机动车局(TACOM)连同工程兵水道试验站(WES)和寒区研究及工程实验室(CRREL),在多年的试验和理论研究基础上发布了地面车辆机动性模型,并成功地应用于美国和北大西洋公约组织各国的各种地面车辆的定性与定量仿真评价与鉴定工作中,且一直沿用至今。这些研究成果为虚拟样机技术在军用车辆领域的应用与发展奠定了坚实的理论基础。

美军认为,在装备战技性能指标的获取过程中应最大程度地利用计算机模型来提供支持。在这一思想指导下,美陆军装备部(AMC)下属的坦克机动车辆发展与研究中心(TARDEC)开发了数十种专门应用于装甲车辆战技性能指标预测、分析与评估的仿真模型及应用软件。

20世纪80年代以来,美军在现代坦克装甲车辆研制过程中大量的采用了虚拟样机技术,完成了诸如Ml主战坦克及其他装甲战斗车辆的动力学分析与仿真研究工作,在研究中运用了多种通用机械系统动力学分析软件,如美国的DRAMIMPADAMSDADS等著名的机械系统动力学软件,建立了多体系统动力学数学模型,采用刚性、非刚性微分方程或微分—代数方程等多种数值解法,将仿真结果与采用NRMM北约机动性能模型的计算结果作了对比分析,并力求使仿真模型与车辆动力、传动、悬挂装置、火炮等部件设计参量与结构细节一致。

20世纪90年代以来,美国陆军坦克机动车局(ACOM)大力支持并推荐应用虚拟样机技术,完成了Ml主战坦克、高机动多用途轮式车辆(HMMWV)等一大批坦克装甲车辆更进一步的动力学分析与仿真研究工作,在分析过程中引入诸如车轮—履带—土壤模型、驾驶员模型、有限元分析模型等。美国的高级车辆动力学实验室(Advanced VehicleDynamics LaboratoryAVDL)建立了越野车辆的虚拟样机模型,基于该模型实现了车辆与地面之间接触力的分析与预测,该虚拟样机模型中包括通用的履带车辆计算模型和柔性履带的计算模型。该实验室采用建立的MIA1主战坦克虚拟样机模型,仿真分析了车辆在不同地面条件下的行驶性能,并对影响车辆机动性的主要地面参数进行了分析研究,为车辆地面机动性提高的关键技术研究提供了理论支撑。

为了满足美国海军陆战队对远征战斗车族的需求,内华达车辆试验中心(Nevada Automotive Test Center)基于虚拟样机技术,完成了30 t10 x10轮式装甲车的概念设计。在设计过程中,试验中心基于I-DEASUCS Solid Edge三维实体建模软件构建车辆部件模型,基于多体动力学软件ADAMS建立了装甲车整车动力学模型,完成了多个概念方案车辆模型机动性、平顺性及操纵稳定性的预测与评估。   

法国地面武器工业公司装甲系统分部(Giat Industries Armored System Division)将虚拟样机技术应用到军用车辆的设计与研制过程中,通过建立多种轮式及履带式装甲车辆的虚拟样机模型,实现对各种军用车辆越野机动性、行驶平顺性、通过性等多种性能的先期预测与评估。

俄罗斯航天工业部门利用其掌握的尖端技术开发了动力学分析软件EUL-ER,在俄罗斯国内得到了广泛的应用与推广,应用领域涉及航空、航天、机械、车辆及军工等众多的行业及领域。俄罗斯地面武器研究人员利用EULER软件,建立了多种轮式及履带式装甲车辆的虚拟样机模型。

我国科研人员从事装甲车辆动力学分析与仿真研究工作也已有20多年的历史。兵器科学研究院利用多年来坦克总体研究、设计工作所积累的经验,将系统动力学理论方法与计算机数值计算和动态图形显示技术结合,应用于车辆动力学分析与仿真研究,开发了车辆动力学分析与仿真软件(Vehicle Dynamics A-nalysis SimulationVDAS)。

应用VDAS软件进行了履带车辆虚拟样机总体性能仿真研究、车辆总布置方案与总体性能相关性的动力学分析与仿真研究、装有双侧变速箱的履带式装甲车辆直线和转向行驶稳定性研究等多项研究工作。在开展这些研究工作时,采用车辆动力学分析与仿真技术,建立以各项先期技术研究成果为基础的履带车辆虚拟样机,实施包括行驶与战斗环境、动力驱动、车辆冲击与振动、火炮射击、火控稳定、驾驶和操纵等模型在内的车辆整车实时动态仿真模型,用于坦克总体和各分系统、各部件最佳匹配及总体优化设计研究,有效地提高了履带车辆物理样机的研制水平。此外,北京理工大学、兵器201所、军械工程学院等单位利用ADAMSDADSRecurDyn等多体动力学软件建立了各种轮式装甲车和履带车辆的虚拟样机模型,对车辆的机动性和平顺性等性能进行评价。

尽管我国科研人员已经利用虚拟样机技术广泛开展了军用车辆的性能研究工作,但在履带车辆的虚拟样机技术方面与世界先进水平相比仍然存在着较大的差距。主要表现在:支持车辆虚拟样机技术的履带车辆系统动力学、履带车辆系统建模技术的理论体系尚不够完善与健全;对履带车辆系统虚拟样机的技术特点及优越性的认可还不够,尚未将虚拟样机技术纳人到履带车辆系统论证、设计、研制与试验中,无法从总体上对履带车辆的研制工作提供全面指导;理论研究与工程实际结合不够紧密,无法及时解决在工程研制过程中遇到的问题;理论研究不全面,只对部分问题有着较好的解决方法,应用范围相对狭窄。因而,全面开展履带车辆虚拟样机的建模与应用等方面的研究,对于提升履带装甲车辆的总体设计研制水平与研制质量而言,是一项非常迫切同时又具有重要意义的工作。

 

参考文献

[1] 岳本龙. 基于ADAMSSimulink的神经网络控制4WS汽车联合仿真研究[D].东北大学,2008.

[2] 伊鸿慧. 基于虚拟样机技术的整车操纵稳定性建模与试验研究[D].浙江大学,2006.

[3] 常绿. 矿用自卸汽车动力性、燃油经济性和平顺性虚拟试验技术研究[D].吉林大学,2007.

[4] 郑毅. 某型履带式通用底盘转向仿真软件设计与实现[D].电子科技大学,2010.

[5] 王雷. 履带式滩涂运输车行驶性能分析研究[D].哈尔滨工业大学,2010.

[6] 海辰光. 双连杆后悬架模板的开发及仿真分析[D].吉林大学,2007.

[7] 项俊. 轿车多体动力学建模仿真及应用研究[D].华中科技大学,2005.

[8] 董新建. 履带车辆行动部分动力学分析与仿真[D].湖南大学,2007.

[9] 包维杰. 基于虚拟样机技术的桁架式桥梁检测车仿真与设计[D].长安大学,2008.

[10] 王红岩,芮强,王良曦,沙学锋. 履带车辆虚拟样机技术及其应用[M]. 北京:国防工业出版社, 2015.10:1-7.




https://m.sciencenet.cn/blog-3393151-1192817.html

上一篇:过程系统工程及发展概述
下一篇:船用柴油机的技术现状与发展趋势

1 晏成和

评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2023-2-8 14:17

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部