汽车领域计算机仿真技术研究

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【摘要】随着控制理论、计算技术、计算机科学与技术的飞速发展,系统科学研究的深入,计算机仿真技术已经逐渐发展为一门新的学科。信息处理技术的突飞猛进,更使得仿真技术得到了迅速发展。计算机仿真技术是分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法。本文分析了轿车产品的特点，研究了计算机仿真技术在轿车全生命周期中不同阶段的应用现状，以及相关技术思想的发展。

【关键词】计算机；仿真技术；轿车；发展

1前言

计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点,已经成为对许多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础,以计算机和各种物理设施为设备工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。

2计算机仿真技术的发展

计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和专业建模技术的发展而发展的。从历史上看,计算机仿真大致经历了四个发展阶段:

2.1模型试验

最原始的仿真思想,其模型试验是基于物理模型进行的,缺乏柔性和精度。

2.2数字化仿真

采用计算机进行分析计算,但是计算结果表达局限于记录文件和图表上,缺乏直观形象。

2.3图像化仿真

大量采用丰富的图形图像技术来表达仿真结果,如三维图形。

2.4虚拟现实技术

不光采用三维图形技术表达计算结果,而且采用特殊装置,如戴上三维数据头盔,触摸仪器等,使人有身临其境的效果。

3计算机仿真技术的关键

目前,计算机仿真计算的关键技术主要包括:

3.1面向对象的仿真

(object-OrientedSimulation-OOS)其主要是将整个系统的功能设计和实现归属为对对象的操作及对象信息的彼此综合利用来实现,对象间信息的传送引起了系统的活动。

3.2分布交互仿真

(DistributedInteractiveSimulation-DIS)主要是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连,构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。

3.3智能仿真

(IntelligenceSimulation-IS)主要是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术,引入整个建模与仿真过程,构造各处基本知识的开发途径。是人工智能(如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等)与仿真技术(如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等)的集成化。

3.4人机和谐仿真

主要包括可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真。[1]

4计算机仿真技术在汽车领域的应用

汽车产业是我国的支柱产业之一，具有极大的发展潜力。尤其是在轿车生产方面同其他发达国家相比还有很大差距，入世必然会对我国的民族轿车工业产生一定的冲击。为了抵御这种冲击，迫切要求我们认真分析世界轿车工业发展的新趋势，学习和借鉴其中的新思想和新技术，使我国的轿车产业能够顺利地同国际接轨，争取在未来的竞争中处于有利的位置。目前世界轿车工业的激烈竞争集中反映在降低生产成本上，即以价格优势去争夺市场。围绕着成本的降低，出现了许多新的发展趋势，如开发周期缩短化、生产管理精益化、目标成本控制化、零部件采购全球化等等。在这种情况下，传统的轿车设计开发过程显得周期过长、成本过高、而且效率低下，已经很难适应激烈的市场竞争的需要。为了解决这些问题，各种新的思想和技术纷纷出现，并被各大轿车生产厂家所采用，其中计算机仿真技术就是被广泛应用的技术之一。仿真技术是出自对系统研究的需要，用系统的模型对真实的或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究和设计该系统的目的而计算机仿真就是利用现代计算机技术，对待分析的系统进行数字建模，并根据需要编制相应的程序对系统模型进行仿真分析的过程。计算机仿真技术为轿车产品的设计开发提供了强有力的工具和手段。通过将计算机仿真技术全面应用于轿车产品的设计开发过程，使得在设计阶段即可以对产品的全生命周期进行分析和测,[2]从而保证了产品的制造要求、使用要求、维护要求、销毁要求等。由于其先进性和革命性，计算机仿真技术已经得到汽车界的广泛重视。如福特公司第一辆样车定型之前，已经完成了全部仿真分析的95%以上，可以在工程开发阶段节省四千多万美元，在制造阶段节省超过十亿美元。通用公司由于在轿车设计开发过程中全面采用了计算机仿真技术，使得开发时间由原来的39个月减少到24个月奔驰汽车公司1998年之前已经完成了数字化轿车的设计，并实现了较强的虚拟显示技术，可以在设计阶段对轿车的总体性能匹配和车身系统布置设计等进行仿真分析、评价和改进。

4.1计算机仿真技术在轿车方案阶段的应用

方案阶段的主要任务是根据市场的发展和客户的需求等信息进行需求定义，包括参考样车选型、系统功能定义、技术经济评价等等。在方案阶段实际系统并不存在，设计人员根据不同的功能模型建立系统的动态模型，以便于比较不同方案的优劣。尽管此时模型的粒度较粗，但仍可为设计人员提供不同方案下的比较分析结果，并为进一步的设计提供决策依据。例如，轿车的技术经济评价就是在方案阶段，对轿车产品的技术质量信息、成本信息以及竞争对手信息进行建模，并在此基础上运用合适的理论方法综合处理这些模型，从而产生出可以对设计、管理与决策提供依据的综合知识。

4.2计算机仿真技术在轿车设计阶段的应用

在轿车的设计阶段，各种CAD/DAE工具已经得到广泛的应用，具有比较完善的数字化基础。因此这个阶段的仿真活动是同这些计算机辅助工具紧密结合的，甚至可以直接将CAD产品模型作为仿真模型输入，即由CAD软件来完成仿真建模工作，实现了部分的信息集成。这种信息集成是以一些图形信息交互标准为基础的，常用的格式有IGES、STEP等。但在实际使用时，由于各种软件对这些标准支持程度的差别，某些情况下CAD模型直接导入到仿真软件中会产生部分信息丢失现象，需要进行必要的修补工作后才能进行仿真分析。随着信息集成技术的发展，这些问题将会得到很好的解决。[3]

4.3计算机仿真技术在轿车制造阶段的应用

这里的制造主要是从技术角度出发，对产品的制造工艺的进行数值模拟与优化，对制造装备的进行数值模拟与改进。典型的如轿车车身覆盖件冲压成型工艺的数值模拟、模具型面抛光仿真等等。以轿车车身覆盖件冲压成型工艺为例，轿车中金属冲压件占到总重量的3/4，整个轿车的开发周期中，近40%的时间用于车身的设计和定型。采用传统的试错方法来解决冲压成型中的工艺问题已经无法满足现代轿车生产的需要。[4]在计算机仿真技术的支持下，通过在计算机上建立数字化模型，用有限元方法进行成型模拟，可以全面了解板料在成型过程中的应力、应变及厚度分布，预测成型缺陷，从而给设计人员提供进行工艺分析和模具设计的科学依据。通常所用的仿真/分析软件有CATIA、ANSYS、ADAMS、SIMPACK等。在西方发达国家，板料冲压成型的数值模拟技术已经称为缩短模具产品研制周期、提高产品质量、降低生产成本的必不可少的手段和工具。

4.4计算机仿真技术在轿车生产线阶段的应用

计算机仿真技术在轿车生产线阶段的主要应用包括确定生产管理控制策略、车间层的设计和调度、库存的规划管理等。其中用于生产管理控制策略的仿真包括确定有关参数以及用于不同控制策略之间的比较；用于车间设计和调度的仿真主要用于对各种可能方案进行分析评价，进而选择出最优方案；用于库存管理的仿真主要目的为确定订货策略、确定订货点和订货批量、确定仓库的分布、以及确定安全库存水平等等。[5]

4.5计算机仿真技术在轿车销售阶段的应用

在轿车的销售阶段，可以根据收集到的客户和对手的信息，通过计算机仿真手段来分析和比较各种方案，进而调整市场价格、制订销售策略等等。[6]

4.6计算机仿真技术在轿车使用阶段的应用

轿车的使用阶段，可以通过计算机仿真技术对用户进行驾驶培训、维修培训等。同生产设计阶段的仿真相比，这种面向用户的仿真大量应用了虚拟现实技术，由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，使参与者产生沉浸感。通过这个虚拟环境，人们可以进行观察、感知和决策等活动。[7]

4.7计算机仿真技术在轿车回收阶段的应用

在回收阶段，计算机仿真技术可以用于对产品拆卸分解过程提供决策支持。严格的说，产品的可拆卸性应该是在设计阶段就予以考虑的因素。产品材料的使用和产品结构的合理性，直接影响废旧产品的可拆卸和回收价值。利用计算机仿真技术对产品回拆卸序列的分析和优化，可以对现有产品给出最大回收价值的拆卸方案。[8]

参考文献：

[1]张峰.计算机仿真技术及其应用[J].人工智能及识别技术,1009-3044(2007)19-40233-01.

[2]任卫群,金国栋.系统仿真技术与汽车设计制造[J].计算机仿真,1999,16(03):52~55.

[3]赵亦希等.悬架侧倾特性参数及动力学仿真[J].传动技术,2001(01):40~45.

[4]余雷,袁国定.有限元数值模拟在汽车覆盖件设计和制造中的应用[J].锻压技术,2002(02):23~26.

[5]岁波等.轿车白车身装焊工艺过程的建模与仿真[D].清华大学985建设重点项目－轿车数字化工程学术研讨交流会论文集,2002,3:C17-C24.

[6]王平,明哲,王艳红.汽车行业销售预测系统的分析、设计与实施[J].情报科学,2001,19(02):177~181.

[7]陈雪波,王熠玢.汽车组队距离与速度偏差系统的仿真研究[J].鞍山钢铁学院学报,2001,24(01):40~46.

[8]傅浩,蔡建国.面向拆卸与回收设计软件模块的开发[J].中国机械工程,2000,11(09):983~987.

作者：孙斌 单位：沈阳理工大学汽车与交通学院