汽車領(lǐng)域計算機仿真技術(shù)研究

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【摘要】隨著控制理論、計算技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展,系統(tǒng)科學(xué)研究的深入,計算機仿真技術(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,更使得仿真技術(shù)得到了迅速發(fā)展。計算機仿真技術(shù)是分析和研究系統(tǒng)運行行為、揭示系統(tǒng)動態(tài)過程和運動規(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，研究了計算機仿真技術(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】計算機；仿真技術(shù)；轎車；發(fā)展

1前言

計算機仿真技術(shù)是一門利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學(xué)實驗的技術(shù)。它具有經(jīng)濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點,已經(jīng)成為對許多復(fù)雜系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、試驗、評估的必不可少的手段。它是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ),以計算機和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具,利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗仿真研究的一門綜合技術(shù)。

2計算機仿真技術(shù)的發(fā)展

計算機仿真技術(shù)主要是隨著計算機技術(shù)、計算技術(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,計算機仿真大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段:

2.1模型試驗

最原始的仿真思想,其模型試驗是基于物理模型進行的,缺乏柔性和精度。

2.2數(shù)字化仿真

采用計算機進行分析計算,但是計算結(jié)果表達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)來表達仿真結(jié)果,如三維圖形。

2.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)

不光采用三維圖形技術(shù)表達計算結(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計算機仿真技術(shù)的關(guān)鍵

目前,計算機仿真計算的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

3.1面向?qū)ο蟮姆抡?/p>

(object-OrientedSimulation-OOS)其主要是將整個系統(tǒng)的功能設(shè)計和實現(xiàn)歸屬為對對象的操作及對象信息的彼此綜合利用來實現(xiàn),對象間信息的傳送引起了系統(tǒng)的活動。

3.2分布交互仿真

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

3.3智能仿真

(IntelligenceSimulation-IS)主要是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術(shù),引入整個建模與仿真過程,構(gòu)造各處基本知識的開發(fā)途徑。是人工智能(如專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、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人機和諧仿真

主要包括可視化仿真、多媒體仿真、虛擬現(xiàn)實仿真。[1]

4計算機仿真技術(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?。尤其是在轎車生產(chǎn)方面同其他發(fā)達國家相比還有很大差距，入世必然會對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，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，爭取在未來的競爭中處于有利的位置。目前世界轎車工業(yè)的激烈競爭集中反映在降低生產(chǎn)成本上，即以價格優(yōu)勢去爭奪市場。圍繞著成本的降低，出現(xiàn)了許多新的發(fā)展趨勢，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)計開發(fā)過程顯得周期過長、成本過高、而且效率低下，已經(jīng)很難適應(yīng)激烈的市場競爭的需要。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，其中計算機仿真技術(shù)就是被廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。仿真技術(shù)是出自對系統(tǒng)研究的需要，用系統(tǒng)的模型對真實的或設(shè)計中的系統(tǒng)進行試驗，以達到分析、研究和設(shè)計該系統(tǒng)的目的而計算機仿真就是利用現(xiàn)代計算機技術(shù)，對待分析的系統(tǒng)進行數(shù)字建模，并根據(jù)需要編制相應(yīng)的程序?qū)ο到y(tǒng)模型進行仿真分析的過程。計算機仿真技術(shù)為轎車產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供了強有力的工具和手段。通過將計算機仿真技術(shù)全面應(yīng)用于轎車產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，使得在設(shè)計階段即可以對產(chǎn)品的全生命周期進行分析和測,[2]從而保證了產(chǎn)品的制造要求、使用要求、維護要求、銷毀要求等。由于其先進性和革命性，計算機仿真技術(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)計開發(fā)過程中全面采用了計算機仿真技術(shù)，使得開發(fā)時間由原來的39個月減少到24個月奔馳汽車公司1998年之前已經(jīng)完成了數(shù)字化轎車的設(shè)計，并實現(xiàn)了較強的虛擬顯示技術(shù)，可以在設(shè)計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設(shè)計等進行仿真分析、評價和改進。

4.1計算機仿真技術(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)市場的發(fā)展和客戶的需求等信息進行需求定義，包括參考樣車選型、系統(tǒng)功能定義、技術(shù)經(jīng)濟評價等等。在方案階段實際系統(tǒng)并不存在，設(shè)計人員根據(jù)不同的功能模型建立系統(tǒng)的動態(tài)模型，以便于比較不同方案的優(yōu)劣。盡管此時模型的粒度較粗，但仍可為設(shè)計人員提供不同方案下的比較分析結(jié)果，并為進一步的設(shè)計提供決策依據(jù)。例如，轎車的技術(shù)經(jīng)濟評價就是在方案階段，對轎車產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量信息、成本信息以及競爭對手信息進行建模，并在此基礎(chǔ)上運用合適的理論方法綜合處理這些模型，從而產(chǎn)生出可以對設(shè)計、管理與決策提供依據(jù)的綜合知識。

4.2計算機仿真技術(shù)在轎車設(shè)計階段的應(yīng)用

在轎車的設(shè)計階段，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)。因此這個階段的仿真活動是同這些計算機輔助工具緊密結(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。但在實際使用時，由于各種軟件對這些標(biāo)準(zhǔn)支持程度的差別，某些情況下CAD模型直接導(dǎo)入到仿真軟件中會產(chǎn)生部分信息丟失現(xiàn)象，需要進行必要的修補工作后才能進行仿真分析。隨著信息集成技術(shù)的發(fā)展，這些問題將會得到很好的解決。[3]

4.3計算機仿真技術(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)，對產(chǎn)品的制造工藝的進行數(shù)值模擬與優(yōu)化，對制造裝備的進行數(shù)值模擬與改進。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，轎車中金屬沖壓件占到總重量的3/4，整個轎車的開發(fā)周期中，近40%的時間用于車身的設(shè)計和定型。采用傳統(tǒng)的試錯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]在計算機仿真技術(shù)的支持下，通過在計算機上建立數(shù)字化模型，用有限元方法進行成型模擬，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)測成型缺陷，從而給設(shè)計人員提供進行工藝分析和模具設(shè)計的科學(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計算機仿真技術(shù)在轎車生產(chǎn)線階段的應(yīng)用

計算機仿真技術(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)計和調(diào)度的仿真主要用于對各種可能方案進行分析評價，進而選擇出最優(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計算機仿真技術(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)收集到的客戶和對手的信息，通過計算機仿真手段來分析和比較各種方案，進而調(diào)整市場價格、制訂銷售策略等等。[6]

4.6計算機仿真技術(shù)在轎車使用階段的應(yīng)用

轎車的使用階段，可以通過計算機仿真技術(shù)對用戶進行駕駛培訓(xùn)、維修培訓(xùn)等。同生產(chǎn)設(shè)計階段的仿真相比，這種面向用戶的仿真大量應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，由計算機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。通過這個虛擬環(huán)境，人們可以進行觀察、感知和決策等活動。[7]

4.7計算機仿真技術(shù)在轎車回收階段的應(yīng)用

在回收階段，計算機仿真技術(shù)可以用于對產(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值。利用計算機仿真技術(shù)對產(chǎn)品回拆卸序列的分析和優(yōu)化，可以對現(xiàn)有產(chǎn)品給出最大回收價值的拆卸方案。[8]

參考文獻：

[1]張峰.計算機仿真技術(shù)及其應(yīng)用[J].人工智能及識別技術(shù),1009-3044(2007)19-40233-01.

[2]任衛(wèi)群,金國棟.系統(tǒng)仿真技術(shù)與汽車設(shè)計制造[J].計算機仿真,1999,16(03):52~55.

[3]趙亦希等.懸架側(cè)傾特性參數(shù)及動力學(xué)仿真[J].傳動技術(shù),2001(01):40~45.

[4]余雷,袁國定.有限元數(shù)值模擬在汽車覆蓋件設(shè)計和制造中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù),2002(02):23~26.

[5]歲波等.轎車白車身裝焊工藝過程的建模與仿真[D].清華大學(xué)985建設(shè)重點項目－轎車數(shù)字化工程學(xué)術(shù)研討交流會論文集,2002,3:C17-C24.

[6]王平,明哲,王艷紅.汽車行業(yè)銷售預(yù)測系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實施[J].情報科學(xué),2001,19(02):177~181.

[7]陳雪波,王熠玢.汽車組隊距離與速度偏差系統(tǒng)的仿真研究[J].鞍山鋼鐵學(xué)院學(xué)報,2001,24(01):40~46.

[8]傅浩,蔡建國.面向拆卸與回收設(shè)計軟件模塊的開發(fā)[J].中國機械工程,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