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(xiàn)代科學技術的一個顯著特點。理論需要實驗的檢驗和驗證,實驗需要理論的指導,兩者相互依賴,相輔相成。任何一種理論,只有在科學實驗得到證實后才能成立。工程技術中,任何一個成功的產(chǎn)品,都是設計和試驗相結合的產(chǎn)物。設計過程就是試驗過程,試驗貫穿于整個設計工作的始終。任何設計思想,理論計算無不經(jīng)過試驗的檢驗。在許多復雜的工程技術問題中,試驗常常是解決問題的有效方法。

從廣義上講,任何不使用或部分使用實際硬件來構造試驗環(huán)境,完成實際物理試驗的方法和技術都可以稱為虛擬試驗。虛擬試驗可以定義為在虛擬環(huán)境中進行的試驗。而虛擬試驗環(huán)境是基于軟件工程研制的仿真試驗系統(tǒng),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(chǎn)品的運行性能進行評價或體驗?；蛘咛摂M試驗就是在計算機系統(tǒng)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(huán)境,使試驗者可以如同在真實的環(huán)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于在真實環(huán)境中所取得的效果。

計算機仿真為科學試驗開辟了一個全新的解決方案。計算機仿真是利用計算機對試驗對象的數(shù)學模型進行模擬實驗,求得對實物原型系統(tǒng)規(guī)律性認識的一種試驗方法,它使虛擬試驗進入了數(shù)字化階段。計算機進行的仿真試驗過程都是計算與邏輯判斷。但由于計算機在記憶能力和運算速度上的優(yōu)勢,使計算機仿真試驗能處理一些復雜系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)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范圍逐步從簡單性研究轉(zhuǎn)向復雜性研究,從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究。

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

虛擬試驗系統(tǒng)不僅可以作為真實試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗。于傳統(tǒng)試驗相比它具有一下優(yōu)點:

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

(2) 虛擬試驗技術應用于復雜產(chǎn)品的開發(fā)中,可以實現(xiàn)設計者,產(chǎn)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(chǎn)品的建議。

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

2. 虛擬試驗技術在汽車工業(yè)中的應用

計算機技術的不斷發(fā)展,硬件性能的不斷提高,推動了虛擬試驗在車輛工程方面的應用。1972年,美國通用汽車公司首先開發(fā)了車輛動力性和燃油經(jīng)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(shù)如: 質(zhì)量,傳動比,空氣阻力系數(shù)等的變化對汽車性能的影響。美國北卡大學虛擬環(huán)境試驗室,開展了車輛駕駛員虛擬環(huán)境的研究,具有極強的工程應用性。美國MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是構造產(chǎn)品的虛擬原型的一個很好的平臺,其中的CAR模塊是MDI公司與Audi, BMW, Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車虛擬軟件包,集成了它們在汽車設計,開發(fā)等方面的經(jīng)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,傳動系統(tǒng),發(fā)動機,轉(zhuǎn)向機構,制動系統(tǒng)等)并進行仿真,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(jīng)驗)整車動力學響應,輸出標致操縱穩(wěn)定性,制動性,乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù),從而減少對物理樣機的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng)是由美國MTS(MechaNIcal Test System)公司研制的虛擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)通過在產(chǎn)品或部件上安裝虛擬傳感器,并將虛擬原型安裝在不同的試驗環(huán)境中,一旦虛擬模型確定,可以反復進行試驗,并根據(jù)虛擬試驗結果對設計進行反復修改,從而獲得最佳設計方案。

與西方發(fā)達國家相比,國內(nèi)在虛擬試驗方面的研究單位主要集中在高校。吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室對汽車防抱制動系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗臺進行了系統(tǒng)分析,建立了用于硬件在環(huán)仿真的車輛模型,輪胎模型,路面模擬以及ABS液壓系統(tǒng)模型,并進行了硬件在環(huán)仿真試驗。它將ABS實際部件嵌入到軟件環(huán)境中進行混合仿真,極大地擴展了軟件仿真的功能,為ABS產(chǎn)品開發(fā)提供了開發(fā)工具和試驗平臺。

三. 結語

現(xiàn)代汽車已發(fā)展成為一個智能化網(wǎng)絡計算平臺。汽車網(wǎng)絡貫穿整車的控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)和傳感執(zhí)行系統(tǒng)等。伴隨汽車電子產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,汽車工業(yè)已不再是單一的機械制造,據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示,未來的汽車制造,電子產(chǎn)品將占據(jù)近50%的工藝和成本。相關電子產(chǎn)品的開發(fā)與測試亦將飛速發(fā)展。虛擬儀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。