线束工程师该了解的,电子虚拟样车阶段到底该做什么

2020年2月24日 评论 751 4195字

电子样车虚拟阶段包括所有构建零部件数模结构,组合虚拟运动车辆在电脑中运行,虚拟测试运输等一些列计算机辅助过程,所以他叫做电子虚拟样车阶段。他不但包括几何数据还包括功能数据,电子虚拟样车不但是汽车开发协同设计的基石还是提高整车开发效率的有力武器。

线束工程师该了解的,电子虚拟样车阶段到底该做什么

很多企业巴不得只要电子虚拟样车阶段签发一过就可以开动工厂造车了,虽然说的有点过,但在当前时间成本要求越来越高的时候,电子样车阶段变得异常重要。

电子样车阶段能把问题提前考虑周到,把问题风险降低,但其实隐藏在电子样车阶段是主机厂的真正软实力-对自己平台架构的深刻理解,对汽车工程知识经验的积累与传承。所以“虚拟大法虽好,但用起来需要自身实力在”,这篇文章让我来看看电子虚拟样车阶段到底做些什么”

构建电子虚拟样车 Building Virtual Cars

1 目的和优势

产品和开发的虚拟化是汽车开发在过去20年中取得最显著进步的领域之一

首先,三维建模帮助设计师生成零件几何图形,然后通常将其转换回二维图形。随着时间的推移,通过附加更多的几何信息(如零件在公共工作空间中的位置、表面特性等)、管理数据(如零件号、物料清单(BOM)结构、版本、变体和选项等)特别是功能特性(如材料信息、强度、颜色等),从3D零件组合成虚拟汽车,成为汽车协同开发过程中的中心通信平台。

电子虚拟样车是共享工作空间中需要开发车辆的所有部件的表示,该共享工作空间允许整个车辆的同时协调开发。

除了作为一个设计环境的平台,电子虚拟样车还代表了模拟和评估车辆性能、功能、成本和重量的基础。电子虚拟样车的使用提高零件的几何一致性和预检装配过程,实现了快速样车制造和快速升级

硬件部件和制造设备的昂贵更换可以大大减少。虚拟汽车在不断增长的程度上替代了硬件原型。在被动安全方面,例如实际碰撞试验(尽管仍有必要)虚拟运算将100%确认模拟结果。

电子虚拟样车的使用并没有使个人交流变得不必要;相反,它强化了人们对虚拟电子样车的需求。底盘设计师已经花了几个星期的时间来优化他的后轴支架,现在想在公共工作区更新它,他可能意识到,他以前作为参考的车身面板刚刚改变,现在使他自己的设计无法使用。虚拟电子样车中的邻居必须不断地交流,才能充分发挥协同设计的潜力。

2 电子信息系统环境支持

合作设计和分析电子虚拟样车需要一个兼容且至少部分标准化的IT系统环境。

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一般需要以下IT系统设备环境支持:

三维CAD建模师,如CATIA、Pro/ENGINEER、NX或Solid Works,用于创建车辆零件的三维模型。

因为几乎所有车辆的可见表面都必须满足很高的美学要求,并且最初可能是用粘土建模的,自由曲面造型是汽车设计中CAD系统最重要的功能之一。由于在这一领域的优势,CATIA已经成为汽车行业的准标准

Pro/ENGINEER尤其用于发动机设计,其中主要曲面是解析的而不是自由曲面,并且可以充分利用参数化设计的优点(例如,当将四缸直列发动机和六缸直列发动机设计为一个系列时)。

产品数据管理(PDM)系统管理和跟踪所有几何和非几何产品信息(如零件号、说明、成本、材料、技术图纸等)的创建和更改,并将其链接到相应的3D模型。

为了存储和检索这些数据,PDM系统操作一个产品数据库。PDM系统管理产品的不同配置、版本和变体。因此,PDM系统是管理虚拟汽车建造和维护的工具,例如通过创建虚拟BOM,即虚拟汽车的层次结构。

当CAD系统专注于单个零件的详细创建和更改时,3D visualizers允许用户设想更大的子系统装配,甚至是整个车辆。

由于典型的操作是在产品中移动、旋转和缩放,可视化工具需要简化不同部分的模型,以减少所需的计算工作量。为此,将为每个零件细分包络模型,并通过PDM系统将其链接。

有了最先进的可视化工具,一辆完整的虚拟汽车就可以被实时地可视化和移动——当然这取决于所用图形计算机的性能。可视化工具提供了附加功能,如带或不带分区窗格的飞行、运动学模拟或距离检查。

当然以上只是电子虚拟样车基本上需要的IT系统环境,很多进一步的功能和性能评估需要专门的仿真工具,例如碰撞,整车热管理,动态性能,ADAS等等,整车性能的虚拟评估工具会在第七章和第八章讲到。

3 规范

从概念阶段开始,虚拟电子样车是协同整车设计的共享工作空间。

与集成过程一起,虚拟汽车团队指定了有关车身类型、国家/地区版本、发动机、变速箱和选项的虚拟汽车。由于虚拟车辆的提供和维护需要付出一定的努力,因此虚拟车辆规范的关键是找到能够获得所需信息的最少车辆配置。

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图 一组指定虚拟汽车的结构树

4 CA数据提供

作为虚拟汽车的起点,虚拟汽车团队为每个虚拟汽车提供了结构环境和共享工作空间。然后,由设计零部件团队逐步添加和定位几何数据。在概念阶段的开始,当新车辆的概念包被创建时,组件可以由简单的几何图元(长方体、棱柱体等)表示。然后,虚拟电子样车成为分析设计的基础。

在实施系列开发阶段,每个单独的零件都根据其几何和功能需求分别建模。在开发流程的推动下,虚拟电子样车不断发展,并变得越来越成熟,直到其部件达到量产发布。

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图 用于实施系列开发的详细虚拟汽车

 

几何集成 Geometric Integration

几何集成一词是指确保虚拟电子样车在整个开发过程中的几何一致性以防止干扰和确保提供间隙确保功能正常。

1 干涉检查

如果两个设计师在将其部件发布到虚拟电子样车中之前没有在电子样车中独立检查其部件更改,然后两个更改的部件相互干扰,或者设计师在发布其新版本之前没有检查其部件的完整环境;那么在具有高度同步数据提供的虚拟汽车并行工程中,虚拟零件之间会发生碰撞和干涉,因此必须通过几何集成来消除,以确保车辆的可实现性。

在开始几何分析之前,需要验证CAD模型的质量和可用性:模型是否完整?模型的位置是否正确?这些模型是最新的吗?

当所讨论的虚拟电子样车是完整的和最新的时,它会被作为3D visualizer一部分的工具自动检查碰撞和干涉。识别出的碰撞被传达回负责相关部件的工程师,以便他们能够评估碰撞和干涉的临界性。

许多工程师认为,自动碰撞和干涉检查是一种检测和发布设计故障的手段,甚至反感干涉检查报告。他们将碰撞和干涉视为产品设计过程中的正常、中间状态。因此,“等待我的下一个零件版本”是解决它们碰撞的典型措施。但由于每个设计师都可以随时更新自己的部分,很可能新版本确实删除了列出的碰撞,但同时又在虚拟车的其他地方造成了另一次碰撞。碰撞和干涉自动检测是实现设计的基础,是整车同步开发的必要基础。

2确保功能间隙

“功能间隙”表示确保正常功能所需的两个部件之间的最小间隙。可能需要最小的间隙以避免热传递(例如排气管和隔热板之间),以允许活动部件在所有自由度上无碰撞移动(例如前轮在其轮罩中的移动),或为振动运动提供足够的空间(例如发动机在对其作出反应时的小旋转驱动扭矩)。

利用碰撞检测工具可以很容易地检测到虚拟零件之间的干涉,同时确保手动接近功能间隙。三维可视化通常提供工具来测量两个部分之间的最小距离。

需要多少间隙的问题只能由相应功能块的专家来回答。很多企业设计间隙库可以提供初始建议值。但是,由于许多参数都会影响所需的距离,因此必须由专家计算或估计可靠的值,例如,加热器软管和发动机之间的临界距离,与固定在发动机上的端部和固定在车身上的端部的相对运动有关,软管的弹性取决于温度和水的流速、车辆运行时软管的振动等。

功能性能几何评估  Further Functional Geometry Evaluation

1 个人储物评估

为了确保在客舱和行李舱中存储个人物品的最佳实用性,这些评估直接可以在三维模型的虚拟电子样车中实行。在几何集成过程中包含此虚拟载荷,允许在早期的开发过程中进行验证托盘、口袋和行李舱的整体尺寸和可接近性。

2车辆运动学评价

几何集成评估过程的另一个高级应用是验证车辆运动学。这包括:

  • 操作动作,如在每个位置移动换档杆(杯托和烟灰缸盖中有不同类型的瓶子打开或关闭),或简单地移动车门、发动机罩和行李箱盖。
  • 功能性运动,如底盘、悬架部件和轮胎的跳动和反弹,转向部件和前轮的转动,或降低和提升侧窗。

检查这些运动间隙的一种有效方法是,通过沿运动轨迹扫掠零件的几何图形,并根据车辆几何图形检查该包络,从而为运动零件创建包络模型。这种方法的一个重要应用是车轮包络,它代表所有与所讨论的车辆一起使用的车轮和轮胎的最大几何膨胀。车轮包络线的计算必须考虑以下参数:

  • 悬架运动学允许的最大跳动和反弹。
  • 转向运动学允许的最大转弯和倾斜
  • 根据纵向、横向和侧向力,轮胎的最大弹性变形
  • 雪地时候雪链最大高度(如用雪链)
  • 最大和最小轮胎气压
  • 轮胎磨损情况

然后检查此外壳与轮罩和部件(如制动软管、ABS传感器电缆或手制动波顿电缆)之间的间隙。但前轮包络线的特殊相关性源于它在确定概念车几何结构方面的作用:

在概念阶段,前轮包络受限于发动机摇篮的最大外部极限,并由此确定发动机的宽度和发动机的摇臂梁-车辆的总宽度。

当然这种准动态包络方法不可能对复杂的运动学进行几何评估,例如对可伸缩包络的运动学评估。它需要先进的多体仿真系统,分析通过关节函数连接在一起的零件的运动学,约束它们的相对运动[5]。

虚拟构建阶段  Virtual Build Groups

与“常规”的连续车辆开发平行,项目里程碑要求在特定时间点验证整车的状态。虽然这以前是通过硬件原型构建组来完成的,但现在通过虚拟构建组来创建车辆成熟度的状态。虚拟构建阶段可以分为三个主要阶段:

  • 规划阶段,虚拟电子样车规划阶段必须明确哪些严重需要达成,根据期望的结果然后由构建组规范指定所需的虚拟车。通常,构建组的虚拟车是现有虚拟车的副本 。
  • 设计阶段,基于装配环境的设计或建模,虚拟汽车团队反复检查虚拟电子样车的几何遵从性(几何集成)。几何问题被评估并输入到问题管理过程中(见第6.2)监测其状态。在设计阶段结束时,CAD和CAE数据100%一致:完整、正确、无冲突。虚拟电子样车是几何释放和准备测试。
  • 评估阶段,使用适当的仿真工具和方法对虚拟车辆的功能集成和生产集成测试功能和可构建性。最后,将虚拟构建阶段的发现报告给管理层以正式验证项目状态。

虚拟构建阶段的前两个阶段同时也是持续进行,以确保在订购样件和工装摸具之前,硬件原型的CAD数据成熟度。

转载来源:Vehicle 微信公众号,作者:Pirate Jack

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