通用汽车采用仿真技术代替传动系统试验

在开发新型四轮驱动车(4WD)过程中，最具挑战性的任务是验证传动系统的耐久性和NVH性能。由于需要在各种速度下进行验证，同时还要考虑制造过程中产生的不确定性误差，所以这使得传动系统试验变得相当困难。此外，通常在设计开发阶段后期才能提供试验样机，然后才能进行物理试验，这导致设计修改非常昂贵并且费时。通用汽车(GM)采用了另一种开发方法——使用LMS多体仿真软件，在保证较高精度的同时，采用虚拟样机评估传动系统性能。位于密歇根州底特律的通用汽车公司CAE工程师Chandra Shah先生说：“我们已经成功地在四轮驱动跑车和敞篷小型货车开发项目中每年减少25项试验，在材料和试验方面节省了很多成本。”
以前通用汽车每发布一款新型4驱车，从发动机到车轮的每个旋转零部件都必须在整系统下进行验证。主要原因在于这些旋转零部件在生产过程中都有不平衡误差，这会产生离心力，离心力会伴随着车速的提高而增强，并且在所有传动部件内导致内应力。连接传动系统和变速箱的适配器常常是最敏感的部件。在试验室，通过给零部件增加偏心重量来评估最差的不平衡因素。通常的试验方法在传动系的关键位置配置应变仪来测量应力和振动，然后将发动机在0到7,000rpm范围内运行，来鉴别那些在某特定转度下产生的激励。这样，就可以测试出容易引起疲劳问题或者产生过量噪声的振动和扭曲。

采用仿真代替试验

构建和装配试验样机，以及进行试验的过程要占用大量的工程时间且花费巨额费用。物理样机试验的另一个缺陷是仅能在开发进程相当晚的后期才能提供物理样机，那时已经存在的潜在问题需要在各个方面进行长时间且昂贵的测试才能解决。基于这些因素，通用汽车早在几年前就开始模拟具有一定精度的虚拟传动系统，这样在制造出物理样机之前就可以识别出问题。“物理试验一直以来是验证仿真精确性必不可少的一项工作，特别在开发新型车设计时。”Shah说。“与试验不同，仿真技术可以在早期的设计阶段鉴别出问题，并且能够评估新设计与已有设计之间的性能差异，这样节省了大量时间并降低成本。通过这种方式能够在开发早期获得更深入的见解，使工程师能够在新设计中消除所有主要的薄弱点，从而减少物理试验次数。”

尽管多体仿真技术在过去已经成功地应用于模拟传动子系统，但这项应用仍是最富挑战性的。为了可靠地获得传动系统的动态性能，大部分零部件，包括动力总成部件、旋转的内部变速器和分动器部件、适配器、以及前/后传动轴，都必须用柔性体来建模，这会导致相当大的计算量。此外，将仿真模型在整个汽车驾驶速度范围内进行计算，还将进一步增加计算量。

开发多体仿真模型

通用的工程师JenniferBagle, Venu Gowducheruvu，和Chandra Shah亲身体验了LMS DADS的强大功能，认为其满足了实际应用中的计算需求。通用汽车的工程师使用LMS动态多体动力学仿真软件，将由UG绘制的CAD模型转换至MSC.NASTRAN有限元分析模型，导入传动部件的整个模型，创建装配模型。LMS DADS使用基于模态的部件综合方法集成了有限元分析结果，可以用于柔性体仿真并跟踪振动频率。质量属性会自动更新来适应重心中心位置和结构变形引起的惯性改变。此外，运动副、约束和力都可以直接在LMS DADS软件内定义。

根据零部件供应商提供的统计质量控制(SQC)数据，通用汽车工程师能够在95%置信度和6 sigma范围内计算出最大的不确定性。然后，他们通过增加额外重量来模拟最恶劣情况，评估系统性能。为了保持计算载荷的可控性，工程师使用一阶不平衡力方程对主要部件进行计算。由于内存限制，工程师根据经验估计定义子系统阻尼量级，简化传统系统的贡献量。在整个驾驶速度范围内对仿真模型进行测量，通常是在0至7,000rpm范围内每秒增加80rpm。

LMS动态多体仿真可以自动求解动力学非线性方程，并且能够在仿真过程中的每一步报告载荷、位置、速度和加速度。结构可以通过图形和高逼真3D动画进行显示，这使得工程师能够可视化传动系统零部件的柔体变形。在项目的早期阶段，通用汽车工程师发现他们能够重现试验结果，达到较高的精确度。试验室结果的标准偏差通常是10%，这是因为不可能在任何两次试验中准确无误地使用同样的条件。考虑到偏差，通用汽车工程师认为能够将仿真误差控制在实验结果的15%内，就已经达到相当好的仿真效果。

验证项目

在一个典型例子中，通用汽车工程师使用之前已经通过物理试验验证过的传动系统方案A的结果，来检验传动系统方案B。两个方案之间最主要的区别是传动轴和气缸。首先，工程师创建能满足方案A的多体仿真模型，并能保证仿真结果与先前的物理试验非常匹配。然后，他们改变传动轴，调整模型的其他参数，将模型转化成方案B。仿真结果显示方案B测得的传动轴、转换器和适配器部件的应力都低于方案A得到的数据，因此仿真的可靠性可以从方案A得到验证。

在第二个例子中，改变一些设计参数来满足方案C的要求，修改后的传动系统集成于先前与之相关的LMS DADS传动系统模型中，并研究其设计修改的效果。结果显示，即使在最坏的传动系统弯曲情况下，中心轴承支持也不会接触到转换器的支架。仿真结果还显示中心轴承支架不会对传动系统的弯曲有动态影响。传动轴、适配器和转换器根据仿真结果表明其性能已经达到了“不需要试验”的要求，这说明不需要再做试验来检验这些修改了。

Shah认为：“上面所说的基于仿真的设计方法目前已经广泛应用于通用汽车公司，结果显示，很多设计方案已经通过以前的仿真和已经存在的有相同动力传动部件的真实模型的试验数据得到了验证。”在通常情况下，通用汽车有100个传动系统项目需要进行试验。在过去这些项目常常需要每年进行大约40项试验。现在试验任务的数量已经缩减到每年15项，并且这个数量预期还会减少到10项。公司现在已经减少了几个试验室，这些试验室过去需要非常昂贵的维护费用。更重要的是在没有硬件的情况，仿真技术在项目周期中提供了设计指导性，这有助于减少昂贵的后期设计修改，还提供了更多的机会进行优化设计，使NVH和耐久性能提高到前所未有的水平。