2015/10/21 15:52:26 汽车操纵稳定性可视化虚拟仿真技术研究分析

汽车虚拟仿真软件的虚拟技术研究成果已经开始融入到汽车产品的研发过程,有效地提升了汽车产品的科技内涵。随着电子信息技术的不断进步,虚拟仿真技术在汽车产品开发过程中的应用范围还将进一步扩大,其应用前景也将更加广阔。

汽车可视化仿真技术以其低成本、高收益的独特优势必将引领汽车设计方法新潮流,成为指导汽车开发工作的重要理论依据。作为汽车安全行驶的重要保证,操纵稳定性在汽车的各项行驶性能中具有举足轻重的作用。

在对汽车的操纵稳定性进行研究时,传统的研究方法对物理样车的依赖性较大,必须在试验场中对样车进行实车试验才能对其进行评价,这种方法由于存在设计成本高、生产周期长、开发风险大等缺点已经远远不能满足产品快速升级换代的现实需求,为此,一种能够适应市场快速多变特点的全新设计方法应运而生。汽车虚拟仿真软件的汽车操纵稳定性可视化仿真技术以参数化模型为基础,能够满足多种车型的仿真需求,符合当前产品设计理念的发展趋势。

该技术可以在物理样车制造出来之前对汽车的数字化模型进行仿真分析,进而可为设计方案的可行性提供评价依据,可有效地提高汽车产品开发的成功率。笔者利用车辆动力学仿真软件 ADAMS、虚拟场景建模软件 Multigen Creator以及虚拟场景驱动软件Multigen Vega构建一座功能完备、设施齐全的汽车虚拟试验场,在该试验场内进行汽车操纵稳定性仿真研究,最终将仿真结果以直观、形象的方式展现出来。

汽车操纵稳定性仿真分析

整车动力学模型的建立在多体动力学仿真分析方面,ADAMS软件以其功

能强大的解算器赢得了广大用户的青睐,笔者利用该软件建立的整车动力学仿真分析模型如图1所示。其中,建模过程中所需的硬点坐标和质量参数均通过几何建模法获取,物理属性参数则通过测量法获取汽车操纵稳定性动力学仿真与分析

在对汽车的操纵稳定性进行研究时,所需考查的指标比较多,试验过程也比较复杂,国内主要通过稳态回转试验、蛇行试验等6个试验对其进行考核,这里将以蛇行试验为例进行说明。

蛇行试验可用于考查车辆在连续正反向转弯行驶工 况 下 的 操 纵 灵 活 性。

测 试 前 应 按 照 GB/T6323.1—94中的相关规定在试验场地中布置10

根试验标桩,其中标桩之间的距离为30m。测试过程中,汽车的试验车速应保持在65km/h的水平上

汽车虚拟仿真软件模型图

虚拟试验场及虚拟车辆的建立

1虚拟场景构建技术

在常用的 CAD 软件(如 CATIA、Pro/E 等)中建立产品的三维模型时,模型的精准度对产品的生产制造环节有着重要影响,其内外结构均需客观地表达出来。但在可视化仿真领域,仿真画面的视觉感和实时性是产品建模首先应该满足的基本要求。在不影响仿真系统视觉感的情况下,可以简化甚至忽略产品的内部结构以便达到提高仿真系统实时性的目的。为此,需要采用多种建模技术对模型数据库进行优化。

1)纹理映射技术。

该技术是为减少模型数据库中多边形的数量而专门设计的,对于那些具有许多细节特征的模型来说,细节特征的构建必然会导致多边形数量的骤增,过多的多边形必然会加剧仿真系统对计算机资源的消耗,在这种情况下,可以借助纹理映射技术来表达模型表面的细节特征,

这时,只需在模型表面创建少数几个用于映射纹理的多边形即可。

2)公告板技术。

该技术也能在一定程度上减少模型中的多边形数量,例如,在创建树木模型时,如果按照树木的真实情况进行建模,那么数据库中多边形的数量将会达到难以估量的地步,而应用公告

板技术建立树木模型时,只需在某一矩形表面上映射纹理并为其赋予旋转特征即可取得非常好的视觉效果。在可视化仿真的过程中,该矩形将会随着视点位置的变化而不断旋转,从而确保映射有纹理的一面始终朝向观察者。

3)细节层次技术。

该技术可以通过创建多个细节程度不一的模型对象达到提高仿真系统实时性的目的,

即当视点距离模型对象较远时,模型中所包含的多边形数量较少,细节程度较低;反之,

多边形的数量较多,细节程度较高。细节层次技术的应用在一定程度上调和了可视化仿真系统的视觉感和实时性之间的矛盾。

4)实例化技术。

对于那些结构相同、位置不同的模型来说,该技术的应用可以极大地缩小数据库的规模。该技术类似于“阵列”操作,但从本质上讲,二者之间是有很大差别的,数据库的规模会随着

“阵列”操作次数的增加而增大,而实例化技术实际上是创建了若干指向原始模型的指针,

该技术并不会增加数据库中实际多边形的数量。

5)自由度技术。

对于那些彼此之间可以相互运动的模型对象来说,需要为其设置相应的自由度才能在场景驱 动的过程中 完成 既 定 的 仿 真 任 务。

例如,只有为汽车的4个车轮分别设置旋转自由度才能实现车轮转动的效果。

6)外部引用技术。

在建立规模较大的虚拟场景时,往往需要先将虚拟场景划分为几个规模较小的组成部分,分别对其进行建模,然后利用外部引用技术将其组合在一起,最终完成整个虚拟场景的构建

工作,该过程类似于汽车产品的装配过程,这种技术的采用便于对虚拟场景进行有效的组织和管理。

2.汽车虚拟试验场的建立试验场是进行汽车性能测试的重要场所,随着汽车工业的不断进步,汽车试验场犹如雨后春笋般在世界各地涌现出来,到目前为止,中国已经建成了满足不同车型测试需求的各类汽车试验场,它们在全国各地肩负着汽车性能测试的神圣使命。考虑到汽车试验场的建造成本高、施工难度大,笔者将借助虚拟场景建模软件 Multigen Creator建立一座设施完备的汽车虚拟试验场,用于汽车性能测试。

虚拟车辆的建立在 ADAMS 中 建 立 的 汽 车 数 字 化 模 型 导 入Multigen Creator进行可视化仿真时会因多边形的数量过多而出现画面跳跃现象,为此,可以在 Creator中利用放样工具建立相应的车辆模型,即先在不同位置上创建车身的横截面,然后对各截面进行放样处理可视化仿真系统的实现

可视化仿真系统的构建可交互性是可视化仿真系统的基本特征之一,在该系统中,用户可通过操作硬件设备完成对计算机中虚拟模型的控制,其效果就像操纵真实的物理样机一样。笔者所构建的可视化仿真系统主要以键盘和鼠标为输入设备汽车在虚拟场景中运动时,如果不采用任何碰撞检测措施,就有可能钻进地面或者穿越建筑物,显然这些现象与真实情况是完全不符的。为了解决这个问题,笔者在汽车虚拟仿真软件可视化仿真系统中启用了碰撞检测机制,即将汽车与地面之间的偏移距设置为0,确保汽车在行驶过程中轮胎与路面之间始终保持良好接触,

这样以来,当汽车驶过不平路面时,汽车将会呈现随路面起伏而上下颠簸的效果。

由此可将汽车操控稳定性的可视化研究主要利用一些几个方面来具体的实现。

1)利用 ADAMS 软件对汽车的蛇行驾驶性能进行了动力学仿真分析,并根据相关评价计分公式对其性能进行了客观评价,评价结果表明,汽车的蛇行驾驶性能比较优越。

2)借助虚拟场景建模软件建立了汽车虚拟试验场模型和虚拟汽车模型,各种先进建模技术的应用提高了可视化仿真系统的执行效率。

3)在 此 基 础 上,借 助 虚 拟 场 景 驱 动 软 件Multigen Vega中的Lynx 图 形界面对可视化仿真系统进行了程序定义文件的配置,最终结合 C++程序代码实现了汽车操纵稳定性可视化仿真系统的建立,该系统在视觉感、交互性和沉浸感等方面均表现突出,能够为汽车操纵稳定性的主观评价提供平台。所建立的可视化仿真系统允许用户参与其中,提高了仿真系统的交互性,用户通过操作鼠标和键盘即可实现汽车的交互式漫游,而且碰撞检测机制的启用提高了可视化仿真系统的可信度。由于这里仅对特定的车型进行了研究,不可避免地会不够全面,今后可以将多种车型纳入其中,进一步提高可视化仿真系统的通用性。另外还应把汽车虚拟仿真软件中可视化仿真系统的开发过程程序化,即通过编写程序代码的方式生成用户化操作界面,用户只需在界面中输入相关参数即可调用相应的车型完成特定的性能仿真试验。更多关于汽车虚拟仿真软件的内容请你关注http://www.yijiaoedu.com


 
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