汽車領域計算機仿真技術研究
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【摘要】隨著控制理論、計算技術、計算機科學與技術的飛速發(fā)展,系統(tǒng)科學研究的深入,計算機仿真技術已經逐漸發(fā)展為一門新的學科。信息處理技術的突飛猛進,更使得仿真技術得到了迅速發(fā)展。計算機仿真技術是分析和研究系統(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。本文分析了轎車產品的特點，研究了計算機仿真技術在轎車全生命周期中不同階段的應用現(xiàn)狀，以及相關技術思想的發(fā)展。
【關鍵詞】計算機；仿真技術；轎車；發(fā)展
1前言
計算機仿真技術是一門利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學實驗的技術。它具有經濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復使用的優(yōu)點,已經成為對許多復雜系統(tǒng)進行分析、設計、試驗、評估的必不可少的手段。它是以數(shù)學理論為基礎,以計算機和各種物理設施為設備工具,利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗仿真研究的一門綜合技術。
2計算機仿真技術的發(fā)展
計算機仿真技術主要是隨著計算機技術、計算技術、圖形圖像技術、復雜系統(tǒng)建模技術和專業(yè)建模技術的發(fā)展而發(fā)展的。從歷史上看,計算機仿真大致經歷了四個發(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來表達仿真結果,如三維圖形。
2.4虛擬現(xiàn)實技術
不光采用三維圖形技術表達計算結果,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計算機仿真技術的關鍵
目前,計算機仿真計算的關鍵技術主要包括:
3.1面向對象的仿真
(object-OrientedSimulation-OOS)其主要是將整個系統(tǒng)的功能設計和實現(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絡將分散在各地的仿真設備互連,構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,引入整個建模與仿真過程,構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、神經網絡等)與仿真技術(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]
汽車產業(yè)是我國的支柱產業(yè)之一，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。尤其是在轎車生產方面同其他發(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)產生一定的沖擊。為了抵御這種沖擊，迫切要求我們認真分析世界轎車工業(yè)發(fā)展的新趨勢，學習和借鑒其中的新思想和新技術，使我國的轎車產業(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、生產管理精益化、目標成本控制化、零部件采購全球化等等。在這種情況下，傳統(tǒng)的轎車設計開發(fā)過程顯得周期過長、成本過高、而且效率低下，已經很難適應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紛紛出現(xiàn)，并被各大轎車生產廠家所采用，其中計算機仿真技術就是被廣泛應用的技術之一。仿真技術是出自對系統(tǒng)研究的需要，用系統(tǒng)的模型對真實的或設計中的系統(tǒng)進行試驗，以達到分析、研究和設計該系統(tǒng)的目的而計算機仿真就是利用現(xiàn)代計算機技術，對待分析的系統(tǒng)進行數(shù)字建模，并根據(jù)需要編制相應的程序對系統(tǒng)模型進行仿真分析的過程。計算機仿真技術為轎車產品的設計開發(fā)提供了強有力的工具和手段。通過將計算機仿真技術全面應用于轎車產品的設計開發(fā)過程，使得在設計階段即可以對產品的全生命周期進行分析和測,[2]從而保證了產品的制造要求、使用要求、維護要求、銷毀要求等。由于其先進性和革命性，計算機仿真技術已經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計開發(fā)過程中全面采用了計算機仿真技術，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年之前已經完成了數(shù)字化轎車的設計，并實現(xiàn)了較強的虛擬顯示技術，可以在設計階段對轎車的總體性能匹配和車身系統(tǒng)布置設計等進行仿真分析、評價和改進。
4.1計算機仿真技術在轎車方案階段的應用
方案階段的主要任務是根據(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、技術經濟評價等等。在方案階段實際系統(tǒng)并不存在，設計人員根據(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，但仍可為設計人員提供不同方案下的比較分析結果，并為進一步的設計提供決策依據(jù)。例如，轎車的技術經濟評價就是在方案階段，對轎車產品的技術質量信息、成本信息以及競爭對手信息進行建模，并在此基礎上運用合適的理論方法綜合處理這些模型，從而產生出可以對設計、管理與決策提供依據(jù)的綜合知識。
4.2計算機仿真技術在轎車設計階段的應用
在轎車的設計階段，各種CAD/DAE工具已經得到廣泛的應用，具有比較完善的數(shù)字化基礎。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合的，甚至可以直接將CAD產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準為基礎的，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準支持程度的差別，某些情況下CAD模型直接導入到仿真軟件中會產生部分信息丟失現(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計算機仿真技術在轎車制造階段的應用
這里的制造主要是從技術角度出發(fā)，對產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無法滿足現(xiàn)代轎車生產的需要。[4]在計算機仿真技術的支持下，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力、應變及厚度分布，預測成型缺陷，從而給設計人員提供進行工藝分析和模具設計的科學依據(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)值模擬技術已經稱為縮短模具產品研制周期、提高產品質量、降低生產成本的必不可少的手段和工具。
4.4計算機仿真技術在轎車生產線階段的應用
計算機仿真技術在轎車生產線階段的主要應用包括確定生產管理控制策略、車間層的設計和調度、庫存的規(guī)劃管理等。其中用于生產管理控制策略的仿真包括確定有關參數(shù)以及用于不同控制策略之間的比較；用于車間設計和調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計算機仿真技術在轎車銷售階段的應用
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，進而調整市場價格、制訂銷售策略等等。[6]
4.6計算機仿真技術在轎車使用階段的應用
轎車的使用階段，可以通過計算機仿真技術對用戶進行駕駛培訓、維修培訓等。同生產設計階段的仿真相比，這種面向用戶的仿真大量應用了虛擬現(xiàn)實技術，由計算機全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，使參與者產生沉浸感。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計算機仿真技術在轎車回收階段的應用
在回收階段，計算機仿真技術可以用于對產品拆卸分解過程提供決策支持。嚴格的說，產品的可拆卸性應該是在設計階段就予以考慮的因素。產品材料的使用和產品結構的合理性，直接影響廢舊產品的可拆卸和回收價值。利用計算機仿真技術對產品回拆卸序列的分析和優(yōu)化，可以對現(xiàn)有產品給出最大回收價值的拆卸方案。[8]
參考文獻：
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[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].鞍山鋼鐵學院學報,2001,24(01):40~46.
[8]傅浩,蔡建國.面向拆卸與回收設計軟件模塊的開發(fā)[J].中國機械工程,2000,11(09):983~987.
作者：孫斌 單位：沈陽理工大學汽車與交通學院
