汽車領(lǐng)域計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究

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【摘要】隨著控制理論、計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展,系統(tǒng)科學(xué)研究的深入,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展為一門新的學(xué)科。信息處理技術(shù)的突飛猛進(jìn),更使得仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是分析和研究系統(tǒng)運(yùn)行行為、揭示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種重要手段和方法。本文分析了轎車產(chǎn)品的特點(diǎn)，研究了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車全生命周期中不同階段的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及相關(guān)技術(shù)思想的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；仿真技術(shù)；轎車；發(fā)展

1前言

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一門利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為對(duì)許多復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估的必不可少的手段。它是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具,利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)仿真研究的一門綜合技術(shù)。

2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)和專業(yè)建模技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。從歷史上看,計(jì)算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段:

2.1模型試驗(yàn)

最原始的仿真思想,其模型試驗(yàn)是基于物理模型進(jìn)行的,缺乏柔性和精度。

2.2數(shù)字化仿真

采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算,但是計(jì)算結(jié)果表達(dá)局限于記錄文件和圖表上,缺乏直觀形象。

2.3圖像化仿真

大量采用豐富的圖形圖像技術(shù)來表達(dá)仿真結(jié)果,如三維圖形。

2.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

不光采用三維圖形技術(shù)表達(dá)計(jì)算結(jié)果,而且采用特殊裝置,如戴上三維數(shù)據(jù)頭盔,觸摸儀器等,使人有身臨其境的效果。

3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的關(guān)鍵

目前,計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

3.1面向?qū)ο蟮姆抡?/p>

(object-OrientedSimulation-OOS)其主要是將整個(gè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)歸屬為對(duì)對(duì)象的操作及對(duì)象信息的彼此綜合利用來實(shí)現(xiàn),對(duì)象間信息的傳送引起了系統(tǒng)的活動(dòng)。

3.2分布交互仿真

(DistributedInteractiveSimulation-DIS)主要是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在各地的仿真設(shè)備互連,構(gòu)成時(shí)間與空間互相耦合的虛擬仿真環(huán)境。

3.3智能仿真

(IntelligenceSimulation-IS)主要是以知識(shí)為核心和人類思維行為作背景的智能技術(shù),引入整個(gè)建模與仿真過程,構(gòu)造各處基本知識(shí)的開發(fā)途徑。是人工智能(如專家系統(tǒng)、知識(shí)工程、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)與仿真技術(shù)(如仿真模型、仿真算法、仿真語言、仿真軟件等)的集成化。

3.4人機(jī)和諧仿真

主要包括可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。[1]

4計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車產(chǎn)業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＳ绕涫窃谵I車生產(chǎn)方面同其他發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，入世必然會(huì)對(duì)我國的民族轎車工業(yè)產(chǎn)生一定的沖擊。為了抵御這種沖擊，迫切要求我們認(rèn)真分析世界轎車工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，學(xué)習(xí)和借鑒其中的新思想和新技術(shù)，使我國的轎車產(chǎn)業(yè)能夠順利地同國際接軌，爭(zhēng)取在未來的競(jìng)爭(zhēng)中處于有利的位置。目前世界轎車工業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)集中反映在降低生產(chǎn)成本上，即以價(jià)格優(yōu)勢(shì)去爭(zhēng)奪市場(chǎng)。圍繞著成本的降低，出現(xiàn)了許多新的發(fā)展趨勢(shì)，如開發(fā)周期縮短化、生產(chǎn)管理精益化、目標(biāo)成本控制化、零部件采購全球化等等。在這種情況下，傳統(tǒng)的轎車設(shè)計(jì)開發(fā)過程顯得周期過長(zhǎng)、成本過高、而且效率低下，已經(jīng)很難適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。為了解決這些問題，各種新的思想和技術(shù)紛紛出現(xiàn)，并被各大轎車生產(chǎn)廠家所采用，其中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是被廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。仿真技術(shù)是出自對(duì)系統(tǒng)研究的需要，用系統(tǒng)的模型對(duì)真實(shí)的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到分析、研究和設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的而計(jì)算機(jī)仿真就是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)待分析的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模，并根據(jù)需要編制相應(yīng)的程序?qū)ο到y(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析的過程。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為轎車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的工具和手段。通過將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)全面應(yīng)用于轎車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，使得在設(shè)計(jì)階段即可以對(duì)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行分析和測(cè),[2]從而保證了產(chǎn)品的制造要求、使用要求、維護(hù)要求、銷毀要求等。由于其先進(jìn)性和革命性，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)得到汽車界的廣泛重視。如福特公司第一輛樣車定型之前，已經(jīng)完成了全部仿真分析的95%以上，可以在工程開發(fā)階段節(jié)省四千多萬美元，在制造階段節(jié)省超過十億美元。通用公司由于在轎車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中全面采用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使得開發(fā)時(shí)間由原來的39個(gè)月減少到24個(gè)月奔馳汽車公司1998年之前已經(jīng)完成了數(shù)字化轎車的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的虛擬顯示技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)等進(jìn)行仿真分析、評(píng)價(jià)和改進(jìn)。

4.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車方案階段的應(yīng)用

方案階段的主要任務(wù)是根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展和客戶的需求等信息進(jìn)行需求定義，包括參考樣車選型、系統(tǒng)功能定義、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等等。在方案階段實(shí)際系統(tǒng)并不存在，設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的功能模型建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，以便于比較不同方案的優(yōu)劣。盡管此時(shí)模型的粒度較粗，但仍可為設(shè)計(jì)人員提供不同方案下的比較分析結(jié)果，并為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。例如，轎車的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)就是在方案階段，對(duì)轎車產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量信息、成本信息以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手信息進(jìn)行建模，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用合適的理論方法綜合處理這些模型，從而產(chǎn)生出可以對(duì)設(shè)計(jì)、管理與決策提供依據(jù)的綜合知識(shí)。

4.2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在轎車的設(shè)計(jì)階段，各種CAD/DAE工具已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，具有比較完善的數(shù)字化基礎(chǔ)。因此這個(gè)階段的仿真活動(dòng)是同這些計(jì)算機(jī)輔助工具緊密結(jié)合的，甚至可以直接將CAD產(chǎn)品模型作為仿真模型輸入，即由CAD軟件來完成仿真建模工作，實(shí)現(xiàn)了部分的信息集成。這種信息集成是以一些圖形信息交互標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的，常用的格式有IGES、STEP等。但在實(shí)際使用時(shí)，由于各種軟件對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)支持程度的差別，某些情況下CAD模型直接導(dǎo)入到仿真軟件中會(huì)產(chǎn)生部分信息丟失現(xiàn)象，需要進(jìn)行必要的修補(bǔ)工作后才能進(jìn)行仿真分析。隨著信息集成技術(shù)的發(fā)展，這些問題將會(huì)得到很好的解決。[3]

4.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車制造階段的應(yīng)用

這里的制造主要是從技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品的制造工藝的進(jìn)行數(shù)值模擬與優(yōu)化，對(duì)制造裝備的進(jìn)行數(shù)值模擬與改進(jìn)。典型的如轎車車身覆蓋件沖壓成型工藝的數(shù)值模擬、模具型面拋光仿真等等。以轎車車身覆蓋件沖壓成型工藝為例，轎車中金屬?zèng)_壓件占到總重量的3/4，整個(gè)轎車的開發(fā)周期中，近40%的時(shí)間用于車身的設(shè)計(jì)和定型。采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法來解決沖壓成型中的工藝問題已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代轎車生產(chǎn)的需要。[4]在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的支持下，通過在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字化模型，用有限元方法進(jìn)行成型模擬，可以全面了解板料在成型過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及厚度分布，預(yù)測(cè)成型缺陷，從而給設(shè)計(jì)人員提供進(jìn)行工藝分析和模具設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)。通常所用的仿真/分析軟件有CATIA、ANSYS、ADAMS、SIMPACK等。在西方發(fā)達(dá)國家，板料沖壓成型的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)稱為縮短模具產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的必不可少的手段和工具。

4.4計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車生產(chǎn)線階段的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車生產(chǎn)線階段的主要應(yīng)用包括確定生產(chǎn)管理控制策略、車間層的設(shè)計(jì)和調(diào)度、庫存的規(guī)劃管理等。其中用于生產(chǎn)管理控制策略的仿真包括確定有關(guān)參數(shù)以及用于不同控制策略之間的比較；用于車間設(shè)計(jì)和調(diào)度的仿真主要用于對(duì)各種可能方案進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，進(jìn)而選擇出最優(yōu)方案；用于庫存管理的仿真主要目的為確定訂貨策略、確定訂貨點(diǎn)和訂貨批量、確定倉庫的分布、以及確定安全庫存水平等等。[5]

4.5計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車銷售階段的應(yīng)用

在轎車的銷售階段，可以根據(jù)收集到的客戶和對(duì)手的信息，通過計(jì)算機(jī)仿真手段來分析和比較各種方案，進(jìn)而調(diào)整市場(chǎng)價(jià)格、制訂銷售策略等等。[6]

4.6計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車使用階段的應(yīng)用

轎車的使用階段，可以通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)用戶進(jìn)行駕駛培訓(xùn)、維修培訓(xùn)等。同生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的仿真相比，這種面向用戶的仿真大量應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，使參與者產(chǎn)生沉浸感。通過這個(gè)虛擬環(huán)境，人們可以進(jìn)行觀察、感知和決策等活動(dòng)。[7]

4.7計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在轎車回收階段的應(yīng)用

在回收階段，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以用于對(duì)產(chǎn)品拆卸分解過程提供決策支持。嚴(yán)格的說，產(chǎn)品的可拆卸性應(yīng)該是在設(shè)計(jì)階段就予以考慮的因素。產(chǎn)品材料的使用和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性，直接影響廢舊產(chǎn)品的可拆卸和回收價(jià)值。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品回拆卸序列的分析和優(yōu)化，可以對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品給出最大回收價(jià)值的拆卸方案。[8]

參考文獻(xiàn)：

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[8]傅浩,蔡建國.面向拆卸與回收設(shè)計(jì)軟件模塊的開發(fā)[J].中國機(jī)械工程,2000,11(09):983~987.

作者：孫斌 單位：沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院