在開發(fā)新型四輪驅(qū)動車(4WD)過程中，最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)是驗證傳動系統(tǒng)的耐久性和NVH性能。由于需要在各種速度下進(jìn)行驗證，同時還要考慮制造過程中產(chǎn)生的不確定性誤差，所以這使得傳動系統(tǒng)試驗變得相當(dāng)困難。此外，通常在設(shè)計開發(fā)階段后期才能提供試驗樣機(jī)，然后才能進(jìn)行物理試驗，這導(dǎo)致設(shè)計修改非常昂貴并且費(fèi)時。通用汽車(GM)采用了另一種開發(fā)方法——使用LMS多體仿真軟件，在保證較高精度的同時，采用虛擬樣機(jī)評估傳動系統(tǒng)性能。位于密歇根州底特律的通用汽車公司CAE工程師Chandra Shah先生說：“我們已經(jīng)成功地在四輪驅(qū)動跑車和敞篷小型貨車開發(fā)項目中每年減少25項試驗，在材料和試驗方面節(jié)省了很多成本。”
以前通用汽車每發(fā)布一款新型4驅(qū)車，從發(fā)動機(jī)到車輪的每個旋轉(zhuǎn)零部件都必須在整系統(tǒng)下進(jìn)行驗證。主要原因在于這些旋轉(zhuǎn)零部件在生產(chǎn)過程中都有不平衡誤差，這會產(chǎn)生離心力，離心力會伴隨著車速的提高而增強(qiáng)，并且在所有傳動部件內(nèi)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力。連接傳動系統(tǒng)和變速箱的適配器常常是最敏感的部件。在試驗室，通過給零部件增加偏心重量來評估最差的不平衡因素。通常的試驗方法在傳動系的關(guān)鍵位置配置應(yīng)變儀來測量應(yīng)力和振動，然后將發(fā)動機(jī)在0到7,000rpm范圍內(nèi)運(yùn)行，來鑒別那些在某特定轉(zhuǎn)度下產(chǎn)生的激勵。這樣，就可以測試出容易引起疲勞問題或者產(chǎn)生過量噪聲的振動和扭曲。

采用仿真代替試驗

構(gòu)建和裝配試驗樣機(jī)，以及進(jìn)行試驗的過程要占用大量的工程時間且花費(fèi)巨額費(fèi)用。物理樣機(jī)試驗的另一個缺陷是僅能在開發(fā)進(jìn)程相當(dāng)晚的后期才能提供物理樣機(jī)，那時已經(jīng)存在的潛在問題需要在各個方面進(jìn)行長時間且昂貴的測試才能解決。基于這些因素，通用汽車早在幾年前就開始模擬具有一定精度的虛擬傳動系統(tǒng)，這樣在制造出物理樣機(jī)之前就可以識別出問題。“物理試驗一直以來是驗證仿真精確性必不可少的一項工作，特別在開發(fā)新型車設(shè)計時。”Shah說。“與試驗不同，仿真技術(shù)可以在早期的設(shè)計階段鑒別出問題，并且能夠評估新設(shè)計與已有設(shè)計之間的性能差異，這樣節(jié)省了大量時間并降低成本。通過這種方式能夠在開發(fā)早期獲得更深入的見解，使工程師能夠在新設(shè)計中消除所有主要的薄弱點(diǎn)，從而減少物理試驗次數(shù)。”

盡管多體仿真技術(shù)在過去已經(jīng)成功地應(yīng)用于模擬傳動子系統(tǒng)，但這項應(yīng)用仍是最富挑戰(zhàn)性的。為了可靠地獲得傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能，大部分零部件，包括動力總成部件、旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部變速器和分動器部件、適配器、以及前/后傳動軸，都必須用柔性體來建模，這會導(dǎo)致相當(dāng)大的計算量。此外，將仿真模型在整個汽車駕駛速度范圍內(nèi)進(jìn)行計算，還將進(jìn)一步增加計算量。

開發(fā)多體仿真模型

通用的工程師JenniferBagle, Venu Gowducheruvu，和Chandra Shah親身體驗了LMS DADS的強(qiáng)大功能，認(rèn)為其滿足了實際應(yīng)用中的計算需求。通用汽車的工程師使用LMS動態(tài)多體動力學(xué)仿真軟件，將由UG繪制的CAD模型轉(zhuǎn)換至MSC.NASTRAN有限元分析模型，導(dǎo)入傳動部件的整個模型，創(chuàng)建裝配模型。LMS DADS使用基于模態(tài)的部件綜合方法集成了有限元分析結(jié)果，可以用于柔性體仿真并跟蹤振動頻率。質(zhì)量屬性會自動更新來適應(yīng)重心中心位置和結(jié)構(gòu)變形引起的慣性改變。此外，運(yùn)動副、約束和力都可以直接在LMS DADS軟件內(nèi)定義。

根據(jù)零部件供應(yīng)商提供的統(tǒng)計質(zhì)量控制(SQC)數(shù)據(jù)，通用汽車工程師能夠在95%置信度和6 sigma范圍內(nèi)計算出最大的不確定性。然后，他們通過增加額外重量來模擬最惡劣情況，評估系統(tǒng)性能。為了保持計算載荷的可控性，工程師使用一階不平衡力方程對主要部件進(jìn)行計算。由于內(nèi)存限制，工程師根據(jù)經(jīng)驗估計定義子系統(tǒng)阻尼量級，簡化傳統(tǒng)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)量。在整個駕駛速度范圍內(nèi)對仿真模型進(jìn)行測量，通常是在0至7,000rpm范圍內(nèi)每秒增加80rpm。

LMS動態(tài)多體仿真可以自動求解動力學(xué)非線性方程，并且能夠在仿真過程中的每一步報告載荷、位置、速度和加速度。結(jié)構(gòu)可以通過圖形和高逼真3D動畫進(jìn)行顯示，這使得工程師能夠可視化傳動系統(tǒng)零部件的柔體變形。在項目的早期階段，通用汽車工程師發(fā)現(xiàn)他們能夠重現(xiàn)試驗結(jié)果，達(dá)到較高的精確度。試驗室結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差通常是10%，這是因為不可能在任何兩次試驗中準(zhǔn)確無誤地使用同樣的條件?？紤]到偏差，通用汽車工程師認(rèn)為能夠?qū)⒎抡嬲`差控制在實驗結(jié)果的15%內(nèi)，就已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)好的仿真效果。

驗證項目

在一個典型例子中，通用汽車工程師使用之前已經(jīng)通過物理試驗驗證過的傳動系統(tǒng)方案A的結(jié)果，來檢驗傳動系統(tǒng)方案B。兩個方案之間最主要的區(qū)別是傳動軸和氣缸。首先，工程師創(chuàng)建能滿足方案A的多體仿真模型，并能保證仿真結(jié)果與先前的物理試驗非常匹配。然后，他們改變傳動軸，調(diào)整模型的其他參數(shù)，將模型轉(zhuǎn)化成方案B。仿真結(jié)果顯示方案B測得的傳動軸、轉(zhuǎn)換器和適配器部件的應(yīng)力都低于方案A得到的數(shù)據(jù)，因此仿真的可靠性可以從方案A得到驗證。

在第二個例子中，改變一些設(shè)計參數(shù)來滿足方案C的要求，修改后的傳動系統(tǒng)集成于先前與之相關(guān)的LMS DADS傳動系統(tǒng)模型中，并研究其設(shè)計修改的效果。結(jié)果顯示，即使在最壞的傳動系統(tǒng)彎曲情況下，中心軸承支持也不會接觸到轉(zhuǎn)換器的支架。仿真結(jié)果還顯示中心軸承支架不會對傳動系統(tǒng)的彎曲有動態(tài)影響。傳動軸、適配器和轉(zhuǎn)換器根據(jù)仿真結(jié)果表明其性能已經(jīng)達(dá)到了“不需要試驗”的要求，這說明不需要再做試驗來檢驗這些修改了。

Shah認(rèn)為：“上面所說的基于仿真的設(shè)計方法目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通用汽車公司，結(jié)果顯示，很多設(shè)計方案已經(jīng)通過以前的仿真和已經(jīng)存在的有相同動力傳動部件的真實模型的試驗數(shù)據(jù)得到了驗證。”在通常情況下，通用汽車有100個傳動系統(tǒng)項目需要進(jìn)行試驗。在過去這些項目常常需要每年進(jìn)行大約40項試驗?，F(xiàn)在試驗任務(wù)的數(shù)量已經(jīng)縮減到每年15項，并且這個數(shù)量預(yù)期還會減少到10項。公司現(xiàn)在已經(jīng)減少了幾個試驗室，這些試驗室過去需要非常昂貴的維護(hù)費(fèi)用。更重要的是在沒有硬件的情況，仿真技術(shù)在項目周期中提供了設(shè)計指導(dǎo)性，這有助于減少昂貴的后期設(shè)計修改，還提供了更多的機(jī)會進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使NVH和耐久性能提高到前所未有的水平。