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浅述计算机仿真技术在汽车设计上的发展及应用
【摘要】介绍计算机仿真技术的发展，仿真技术的核心知识，对轮胎仿真分析及整车碰撞仿真分析，浅述了仿真技术在汽车设计上的应用。
【主题词】计算机仿真　汽车　应用 有限元 轮胎 整车碰撞
一 前言
中国汽车特别是轿车工业在20多年有了巨大发展。根据中国汽车工业协会统计数据显示，2009年，我国汽车累计产销突破1300万辆，同比增长创历年最高，其中，乘用车产销首次超过1000万辆，我国已成为世界第一汽车生产和消费国。车型由单一品种发展到客货并重、大中小系列产品齐全的可喜局面。但是，中国自主汽车产品技术水平，还难以达到市场的要求。高效地提高民族自主品牌的技术研发能力，成为振兴祖国汽车产业的重要举措。
计算机仿真技术，特别是CAE技术，可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，给汽车企业提供极大帮助。
对于新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可借助仿真技术在设计阶段解决，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用。
二 计算机仿真技术的发展
计算机仿真技术，在汽车工业的应用是多方面的，它经历了一个从简单到复杂，从小型到大型，从刚体到柔体，从线性结构到非线性结构的发展过程。最初技术由于受到计算机软硬件性能的限制，只能对汽车结构作大量的简化。例如，在研究汽车在常规路面上直线行驶性能的时候，由于不会产生由汽车转弯引起的左右车轮载荷转移，可以将汽车简化为单轨汽车模型；当只研究汽车系统动力性能的时候，可以忽略汽车悬架的弹性变形；而以多体力学为基础的虚拟样车技术中，将汽车中的大量零部件都以刚性体代替；在以有限元理论为基础的FEM分析中，也经常将单元用比较简单的线性单元描述。这样做的目的，就是为了降低模型的复杂程度，减轻计算机的工作负担。
现代汽车工程对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构仿真分析已不满足于结构线弹性分析，汽车产品精益设计要求仿真分析更多的考虑非线性系统的影响。随着计算机技术的不断提高，仿真技术也得到了飞速的发展和不断的完善。这使得汽车仿真分析的大型化和精确化成为可能也使得大量非线性单元的应用成为可能。
三 计算机仿真技术运用的知识
1.有限元思想
有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的集合性状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。在此基础上，对每一单元假设一个简单的唯一函数来近似模拟其唯一分布规律，通过虚位移原理求得没个单元的平衡方程，既是建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后把所有单元的这种特性关系集合起来，就可建立整个物体的平衡方程组。考虑边界条件后借此方程组求得节点位移，并计算出各单元应力。
学习并掌握了有限元基本理论及分析方法，就可推广到各种结构形式，将有限元计算结果应用于工程结构设计中。
2.弹塑性材料应力-应变关系及计算
人们通常用相对简单的数学模型来近似模拟计算应力-应变关系，典型的模型有：单向拉伸时的理想化模型、等相硬化模型、随动硬化模型、综合硬化模型。
计算时通常把应变分成弹性和塑性两部分。
3.接触界面的处理方法
有两个基本问题要解决。第一个问题是确定任意时刻汽车碰撞系统中全部的接触碰撞界面，它对应的是接触界面的搜寻问题；第二个问题就是确定接触碰撞界面上接触碰撞力的大小和方向，它对应的是在接触约束条件下接触力的计算问题。在这里，采用级域理论与方法分析与计算
四、计算机仿真技术在汽车上的应用
计算机仿真技术发展到今天，几乎已经涵盖了我们对汽车性能要求的所有方面，刚度、强度、疲劳寿命、振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等等，门类齐全的各种CAE软件共同提供了一个完成精益设计的工具平台。
汽车仿真技术按分析目标可分为两大部分：整车系统以及车身、附件和底盘零部件系统。而整车系统分析中包括4个方面的内容:整车系统疲劳寿命分析；整车系统动力学分析，采用多体(刚体和柔体)动力学分析方法进行汽车动力学仿真;整车系统NVH(振动、噪声和舒适性)分析；碰撞模拟和乘员保护及评价。
五 应用实例之一：对轮胎的仿真分析
1.对轮胎特性的分析
轮胎是汽车的重要组成部分，它的机械性直接影响车辆的各种性能，例如，操纵稳定性和制动性能等。轮胎的影响对汽车的操纵稳定性至关重要。
轮胎结构设计理论先后有网络理论、薄膜理论、薄壳理论等，这些理论均有很大的局限性。随着计算机的发展，有限法为一种有效的方法引入使用。
随着对轮胎模型的深人研究以及科技的发展，为了更真实的反映轮胎的实际情况，更加贴近地模拟轮胎的物理模型，得到轮胎的各项性能参数，我们现在使用的模型是三维非线性有限元模型。轮胎的非线性特性包括三点:几何非线性特性；材料非线性特性；非线性边界条件。
2.轮胎有限模型的建立
(1)三维实体型的绘制
根据不同的结构和材料，我们可以通过CAD绘图技术来得到轮胎的径向截面轮廓图和材料分布图。因此，我们就可以得到轮胎的三维实体模型。
(2)CAD模块与ANSYS软件的接口
在有限元软件包都具有IGES文件接口。ANSYS的IGES输人能力在工业界中位于最强者之列。通过这条公共通道，在系统中建立的模型都可以直接读取到软件的前处理模块中。我们可以通过这种方式把轮胎的三维实体模型读人ANSYS的前处理模块中。
(3)材料的定义
轮胎的结构材料可分为两类:单一材料和复合材料。构成这两类材料的基本材料又有三类:橡胶、纤维和钢丝。不同的组合，有不同的正交各向同性和正交各向异性性质。在研究轮胎的时候，主要侧重于结构力分析，因此，所需的材料物理力学参数主要有杨氏量、泊松比、密度三项。
(4)单元类型的选择
对于构成轮胎各个部分的材料，需要采用合适的单元来模拟，所采用的单元类型应能反映材料的性质。为了保证计算的准确性，并尽量减少运行时间，在利用ANSYS软件建立轮胎模型时，采用三维体单元和三维层单元的组合来模拟。SOLID45体单元和HYPER86单元都是具有八个节点，三个自由度的单元类型。用SOLID45体单元来模拟单一材料构成的三维体结构，例如:轮辆和钢丝圈等部位的金属材料;HYPER86单元模拟高弹性的三维体结构，例如:轮胎的胎冠、胎侧等橡胶材料;SOUD46层单元主要用来模拟胎体帘布与内衬层、带束层等具有多层复合结构的部位，还有模拟轮胎与地面、轮辆接触时，可以选择接触单元和目标单元。
(5)载荷和边界条件
在进行求解之前，要给轮胎定义载荷和边界条件。在轮胎性能分析过程中，需要考虑很多种载荷工况。可以通过面载荷来模拟内部气压;如果承受垂直载荷或侧向力，可以在节点上施加载荷。并且，对于不同的工况所施加的边界条件是不同的。当轮胎处于自由态时，轮毂要固定;若进行接地状态分析，则要施加地面固定约束和整胎(包括轮毂)约束。
3.求解与分析
运用分析软件，作出轮胎有限元模型的径向截面图，划分网格，并且加载荷和约束。当计算结束时，我们就可以在通用后处理器(POSTI)中，通过绘变形图、支反力列表、应力等值线图和变动动画的形式，直观地看到在不同工况下，轮胎的节点、单元的位移、应力和应变等结果。就能发现轮胎在每种工况下，什么部位磨损最大，最容易出现问题。这些分析结果对轮胎的结构优化有很大的帮助。
六 应用实例之二：某客车正面碰撞仿真模拟
1. 整车几何模型的建立
通过标准的图形交换接口，将车身的三维几何模型数据文件输入到ANSYS/LS-DYNA3D的前处理器中，利用ANSYS的前处理功能在输入车身几何模型的基础上进行整车的建模工作对各主要吸能部件进行了重点处理。
2. 模型规模及单元尺寸确定
要实现汽车碰撞的计算机仿真模拟并能兼顾“效率与精度”的平衡在几何模型的合理简化单元形状和大小的选择等都必须仔细考虑。
对各关键部件的建模处理，主要是控制网格划分尺寸。关键部件：前纵梁，车身板件，动力总成，轮胎与悬架，对其它部件（车门、门铰、挡风玻璃、水箱）
网格划分原则：（1）前部吸能变形区域网格细密，而中后部网格相对稀疏。（2）单元的边长比限定在一定范围。（3）限制最小单元的尺寸，以控制计算过程中的极限时步长。
材料选用方面，前部变形区域选用弹塑性材料模型，中后部不易变形区域，材料模型选用刚体。
各部件之间的连接方式采用了焊接、铆接、铰接及刚体连接等方式，可能发生接触的区域都定义了接触。整车的初驶碰撞速度为50km/h。
3.碰撞仿真计算
仿真计算采用LS-DYNA非线性动态显式有限元分析软件，在SGI工作站上进行。由于实际的车辆碰撞过程持续时间大约为80~120ms，所以对整车的碰撞仿真也只计算80ms的响应过程。
4.仿真结果分析
通过计算机仿真分析，我们从整车的变形、应变应力、作为主要吸能元件的前纵梁的变形、应变应力、前门框的变形、整车关键部位的减加速度等几个方面来对分析结果进行评价。
我们清楚看出整车前纵梁及正对纵梁的部分前围板件发生了大的塑性变形变形形式主要为折叠式压溃很好地起到了吸收冲击能量的作用。前纵梁及正对纵梁的部分前围板件驾驶室内前围地板等发生了大的塑性变形，前纵梁折叠部分及前纵梁上方的前围处的应力值最大。
5.仿真结果与实验结果的对比
由于整车的碰撞仿真设计涉及众多复杂的因素，计算不可避免地会产生误差。为了检验仿真计算的进度，与试车碰撞试验的结果进行了对比。通过对比，检验出模型及仿真计算的精度是否达到了工程实用的要求。或者是对系统作进一步的优化。
七 结束语
通过以上的实例：轮胎仿真设计和客车整车碰撞模拟仿真设计，我们不难看出，计算机仿真设计技术很强的的实用性。在汽车领域上，它优点很多，可以及早地发现问题，降低开发费用，缩短开发周期，存储的信息量大，重复性好。避免了产品投放市场初期常常出现质量问题而影响新产品的声誉,也可以使企业集中力量于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。随着应用领域的拓展，计算机仿真技术将会发挥更大的作用。

参考文献
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