二. 虛擬試驗技術

1. 虛擬試驗技術簡介

科學試驗和理論研究相結合是現代科學技術的一個(ge) 顯著特點。理論需要實驗的檢驗和驗證,實驗需要理論的指導,兩(liang) 者相互依賴,相輔相成。任何一種理論,隻有在科學實驗得到證實後才能成立。工程技術中,任何一個(ge) 成功的產(chan) 品,都是設計和試驗相結合的產(chan) 物。設計過程就是試驗過程,試驗貫穿於(yu) 整個(ge) 設計工作的始終。任何設計思想,理論計算無不經過試驗的檢驗。在許多複雜的工程技術問題中,試驗常常是解決(jue) 問題的有效方法。

從(cong) 廣義(yi) 上講,任何不使用或部分使用實際硬件來構造試驗環境,完成實際物理試驗的方法和技術都可以稱為(wei) 虛擬試驗。虛擬試驗可以定義(yi) 為(wei) 在虛擬環境中進行的試驗。而虛擬試驗環境是基於(yu) 軟件工程研製的仿真試驗係統,它允許設計者將虛擬原型安裝在其上進行試驗,借助交互式技術和試驗分析技術,使設計者在設計階段就能對產(chan) 品的運行性能進行評價(jia) 或體(ti) 驗。或者虛擬試驗就是在計算機係統中采用軟件代替部分硬件或全部硬件來建設各種虛擬的試驗環境,使試驗者可以如同在真實的環境中一樣完成各項預定的試驗項目,使所取得的試驗效果接近或等於(yu) 在真實環境中所取得的效果。

計算機仿真為(wei) 科學試驗開辟了一個(ge) 全新的解決(jue) 方案。計算機仿真是利用計算機對試驗對象的數學模型進行模擬實驗,求得對實物原型係統規律性認識的一種試驗方法,它使虛擬試驗進入了數字化階段。計算機進行的仿真試驗過程都是計算與(yu) 邏輯判斷。但由於(yu) 計算機在記憶能力和運算速度上的優(you) 勢,使計算機仿真試驗能處理一些複雜係統和非線性係統的試驗。計算機強大的信息處理能力和強大的計算能力使虛擬試驗的範圍逐步從(cong) 簡單性研究轉向複雜性研究,從(cong) 定性研究轉向定量研究。

計算機仿真的進一步發展是虛擬現實(Virtual Reality Test,簡稱VR) 。虛擬現實是一種人工創建和體(ti) 驗虛擬世界的計算機係統,它具有三個(ge) 重要特征: 高度的沉浸感,可信度和交互性。利用虛擬現實技術,可以方便地在計算機上產(chan) 生一個(ge) 虛擬的試驗環境,對被試產(chan) 品進行各種性能測試和檢驗;通過人的視覺,聽覺,觸覺等作用於(yu) 人,使人產(chan) 生身臨(lin) 其境的感覺,使試驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的試驗項目。

虛擬試驗係統不僅(jin) 可以作為(wei) 真實試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳(chuan) 統的試驗。於(yu) 傳(chuan) 統試驗相比它具有一下優(you) 點:

(1) 可以大幅度減少樣機製造試驗次數,縮短新產(chan) 品試驗周期,同時,降低實際試驗費用。

(2) 虛擬試驗技術應用於(yu) 複雜產(chan) 品的開發中,可以實現設計者,產(chan) 品用戶在設計階段信息的互反饋,使設計者全方位吸收,采納對新產(chan) 品的建議。

(3) 虛擬試驗技術代替實際試驗,實現了試驗不受場地,時間和次數的限製,可對試驗過程進行回放,再現和重複。

2. 虛擬試驗技術在汽車工業(ye) 中的應用

計算機技術的不斷發展,硬件性能的不斷提高,推動了虛擬試驗在車輛工程方麵的應用。1972年,美國通用汽車公司首先開發了車輛動力性和燃油經濟性的通用預測程序GPSIM,該程序可以模擬汽車在任何工況行駛下的瞬時油耗,累計油耗,行駛時間和距離,預測汽車設計參數如: 質量,傳(chuan) 動比,空氣阻力係數等的變化對汽車性能的影響。美國北卡大學虛擬環境試驗室,開展了車輛駕駛員虛擬環境的研究,具有極強的工程應用性。美國MDI公司開發的ADAMS軟件是構造產(chan) 品的虛擬原型的一個(ge) 很好的平台,其中的CAR模塊是MDI公司與(yu) Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作開發的整車虛擬軟件包,集成了它們(men) 在汽車設計,開發等方麵的經驗。利用該模塊,工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(包括車身,懸架,傳(chuan) 動係統,發動機,轉向機構,製動係統等)並進行仿真,通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗工況下(例如: 天氣,道路狀況,駕駛員經驗)整車動力學響應,輸出標致操縱穩定性,製動性,乘坐舒適性和安全性的特征參數,從(cong) 而減少對物理樣機的依賴。VTL(Virtual Test Lab)係統是由美國MTS(MechaNIcal Test System)公司研製的虛擬試驗係統,該係統通過在產(chan) 品或部件上安裝虛擬傳(chuan) 感器,並將虛擬原型安裝在不同的試驗環境中,一旦虛擬模型確定,可以反複進行試驗,並根據虛擬試驗結果對設計進行反複修改,從(cong) 而獲得最佳設計方案。

與(yu) 西方發達國家相比,國內(nei) 在虛擬試驗方麵的研究單位主要集中在高校。吉林大學汽車動態模擬國家重點實驗室對汽車防抱製動係統(ABS)混合仿真試驗台進行了係統分析,建立了用於(yu) 硬件在環仿真的車輛模型,輪胎模型,路麵模擬以及ABS液壓係統模型,並進行了硬件在環仿真試驗。它將ABS實際部件嵌入到軟件環境中進行混合仿真,極大地擴展了軟件仿真的功能,為(wei) ABS產(chan) 品開發提供了開發工具和試驗平台。

三. 結語

現代汽車已發展成為(wei) 一個(ge) 智能化網絡計算平台。汽車網絡貫穿整車的控製係統、信息係統、駕駛係統和傳(chuan) 感執行係統等。伴隨汽車電子產(chan) 業(ye) 的不斷發展,汽車工業(ye) 已不再是單一的機械製造,據有關(guan) 數據顯示,未來的汽車製造,電子產(chan) 品將占據近50%的工藝和成本。相關(guan) 電子產(chan) 品的開發與(yu) 測試亦將飛速發展。虛擬儀(yi) 器技術和虛擬試驗技術以其低成本,高效能,靈活可靠等特點,將在汽車工程中扮演越來越重要的角色。