Численное моделирование динамики автомобиля нового поколения

Многодисциплинарное моделирование в режиме реального времени и его роль в создании лучших в мире автомобилей

Компания Daimler первой среди автомобилестроительных корпораций внедрила процесс создания цифровых прототипов автомобилей DPT (digital prototyping). Это было в 2001 году. Сегодня разработка изделий с использованием цифровых моделей и цифровое совершенствование конструкции позволяют создавать на единой платформе всё большее число вариантов автомобилей. Каждый вариант обладает собственными ходовыми качествами и характеристиками управляемости.

Разработка платформ, двигателей, трансмиссий и мостов легковых автомобилей марки Mercedes­Benz ведется в технологических центрах в Зиндельфингене и Унтертюркхайме около Штутгарта. «Наша цель — занять ведущее положение на рынке автомобилей класса “люкс”, — отмечает профессор, доктор Людгер Драгон, старший руководитель отдела обеспечения плавности хода в технологическом центре компании Mercedes в Зиндельфингене. — Создание и внедрение наилучшего и наиболее функционального процесса разработки позволит нам предложить рынку превосходные автомобили. Все наши усилия сконцентрированы на достижении одной цели: сделать лучший автомобиль в мире».

Самые современные технологии и процессы

Воплощение передовых инженерно­конст­рук­торских идей становится возможным только при условии применения самых лучших процессов, а это означает, что все характеристики таких процессов должны быть точно определены. «Чтобы готовое изделие отвечало высочайшим стандартам качества, мы работаем в тесном сотрудничестве с нашими конструкторами, расчетчиками, технологами и инженерами­испытателями на протяжении всего цикла его создания — от начального замысла до производства автомобиля», — поясняет Людгер Драгон.

Цифровые технологии и цифровые прототипы становятся неотъемлемыми составляющими процесса разработки автомобилей.

Компания Daimler задает тенденции развития автомобильной промышленности. Так, стандартный автоматизированный процесс разработки нынешнего поколения машин Mercedes­Benz C­класса она внедрила еще в 2001 году. С тех пор предприятие полагается на цифровые прототипы. За последнее десятилетие инженеры в центре разработок компании Daimler в Зиндельфингене добились значительного улучшения методик и процессов численного моделирования. «Это непрерывный поступательный процесс, — рассказывает Теодор Гроссманн, руководитель группы численного моделирования ходовых качеств в технологическом центре компании Mercedes. — Всё начинается с фиксированной конструкции шасси, под которую затем создаются различные варианты кузова на базе одной платформы. Цифровые технологии обеспечивают оптимизацию конструкции механических узлов и систем с программным управлением. Результаты цифрового моделирования применяются уже на ранних этапах разработки подобных вариантов». Проектирование на основе моделей — один из ключевых аспектов реализации концепции единой платформы автомобиля. «Автомобили выпускаются во множестве различных исполнений для удовлетворения спроса потребителей, — отмечает г­н Драгон. — Количество разрабатываемых нами платформ почти не изменилось, но вот число производных вариантов исполнений резко возросло. Если раньше мы производили только два варианта автомобилей A­ и B­класса, то теперь уже пять. Такая же ситуация и с автомобилями C­ и E­классов. Многие комплектации и исполнения разработаны с применением численного моделирования».

Процесс автоматизированного проектирования и единое хранилище данных

Автоматизированное проектирование изделий должно выполняться в строго заданные сроки. Для каждого этапа процесса разработки установлены критерии контроля качества и заданы сроки исполнения. Руководитель группы анализа систем управления в технологическом центре компании Mercedes Херст Браунер поясняет: «Сроки выполнения задач автоматизированного проектирования определяются различными границами качества, которые задаются в рамках процесса DPT. Промежуточные результаты поступают на этап проектирования и своевременно доступны всем инженерам и субподрядчикам. А вот при изготовлении физических прототипов сроки отсчитываются от планируемой даты сборки первого экспериментального образца».

Исследование средствами LMS Virtual.Lab Motion комфортности при езде по дорогам с разным покрытием

Создание расчетной модели в соответствии с поставленной задачей требует привлечения большого количества геометрических данных и функциональных характеристик, а также точного моделирования поведения узлов конструкции. В компании Daimler все геометрические данные и функциональные характеристики разрабатываемого автомобиля — от эскизной компоновки до характеристик амортизаторов — поступают и хранятся в едином источнике. Доступ к этому хранилищу данных имеют все специалисты, работающие над созданием автомобиля. База данных постоянно обновляется и пополняется за счет поступления информации о результатах экспериментов, проводимых с цифровыми прототипами.

Скорость и точность

«Мы рассматриваем процесс автоматизированного проектирования как равноправного партнера натурного моделирования, — отмечает Л. Драгон. — И мы ожидаем такого же подхода от наших подрядчиков. На ранних этапах мы принимаем большое количество проектных решений, основываясь исключительно на результатах численного моделирования. Мы считаем, что руководитель проекта должен быть уверен в результатах численного моделирования и принимать решения на основе этих результатов».

Численное моделирование открывает новые возможности для процесса создания автомобилей. Херст Браунер добавляет: «Используя методики программно­аппаратного (HIL) или чисто программного (SIL) моделирования, мы можем быстро и точно выявлять возможные проблемы и извещать о них соответствующего подрядчика. Таким образом, повышается уровень готовности первого физического прототипа платформы автомобиля. Наша концепция заключается в том, что высокое качество опытного образца должно быть обеспечено уже на начальном этапе его создания, чтобы инженеры­испытатели занимались только окончательной доводкой автомобиля, который должен соответствовать предъявляемым к нему требованиям по аэродинамическим характеристикам».

Передовые методики и процессы

Реализация этой концепции требует применения современных методик и процессов численного моделирования: физический прототип должен обладать теми же ходовыми качествами, что и его цифровая модель. Наиболее серьезной проверкой цифровых моделей служит сборка первого экспериментального автомобиля. Для сохранения нового дизайна в секрете физические прототипы выезжают на дорогу только в закамуфлированном виде — покрытые тканью и клейкой лентой.

«Как правило, первый физический прототип нового автомобиля изготавливается через шесть месяцев после выполнения расчетов и определения всех его технических характеристик, — рассказывает г­н Браунер. — Когда первый образец готов, мы начинаем заниматься его доводкой. Этот процесс включает как субъективные оценки, так и объективные измерения. Численное моделирование помогает найти оптимальное решение».

«Мы применяем методики численного моделирования на всех этапах процесса разработки, — отмечает г­н Драгон. — Кроме того, мы ищем способы улучшения существующих процессов. Уже на ранних этапах проектирования мы выполняем огромные объемы вычислений для максимально точного моделирования поведения машины на дороге. Мы очень ответственно подходим к этой задаче.

Автоматизированный процесс симуляции с применением общей базы данных LMS Virtual.Lab Motion

Наше предприятие является единственным автопроизводителем, имеющим стенды для оценки и плавности хода, а также управляемости автомобиля. Благодаря этому характеристики новой машины выявляются задолго до изготовления первого физического прототипа. Управляемость и поведение автомобиля на дороге — весьма субъективные показатели, которые сложно исследовать. Например, поведение автомобиля при боковом ветре: в ходе испытаний невозможно создать боковой ветер с четко заданными параметрами. Поэтому систематическая объективная оценка поведения реального автомобиля является очень трудной задачей: необходимо различать влияние разброса параметров бокового ветра и поведения самой машины.

При моделировании на стенде мы создаем боковой ветер с четко заданным разбросом параметров, что позволяет не только объективно оценивать поведение наших автомобилей, но и разрабатывать системы помощи водителю при боковом ветре».

Численное моделирование с использованием шаблонов

Важнейшим требованием к многодисциплинарному численному моделированию динамики, применяемому компаний Daimler для оценки ходовых качеств, является наличие общей базы данных шаблонов подсистем автомобиля. В ней хранятся наборы требований для различных вариантов нагрузок, действующих на автомобиль. Сначала выполняются испытания кинематики и соответствие нормативам на уровне подвески, а затем проверяется маневренность в различных ситуациях — например при смене полосы движения (с соблюдением требований стандарта ISO), прохождении поворота постоянного радиуса, выполнении «полицейского разворота», движении по дорогам с различными видами покрытия, объезде отдельных препятствий и пр. Более того, для стендовых испытаний электронных блоков управления расчет многодисциплинарного моделирования должен проводиться в реальном масштабе времени.

Для решения этой задачи создаются модульные шаблоны автомобильных подсистем. При проведении расчета пользователь создает модель автомобиля, редактирует шаблон варианта нагрузки, вводит требуемые характеристики и затем обрабатывает полученные результаты. Численное моделирование ходовых качеств в рамках DPT­процесса позволяет проводить расчеты при более чем ста различных видах нагрузки для каждого варианта конструкции автомобиля. При этом каждый вариант нагрузки задается заранее и может рассчитываться как в интерактивном режиме, так и полностью автоматически. Высокая точность и надежность системы LMS Virtual.Lab Motion, а также наличие встроенных функций автоматизации с использованием языка программирования Visual Basic стали важнейшими составляющими процесса численного моделирования ходовых качеств. Модель, рассчитываемая в системе LMS Virtual.Lab Motion в режиме реального времени, позволяет проанализировать управляемость автомобиля при помощи стендовых испытаний.

Динамика автомобиля

Все программы разработки в компании Daimler нацелены на достижение наилучших результатов. Фирменная трехлучевая звезда компании — это символ совершенства и ответственности. «Что касается динамики автомобиля, то используемые процессы проектирования должны обеспечивать достижение оптимальных результатов и, к примеру, находить наилучшее решение при противоречивых требованиях к ходовым качествам и управляемости. Классические характеристики управляемости и плавности хода очень важны для потребителя. К сожалению, они предъявляют противоречивые требования к конструкции, — поясняет г­н Драгон. — Прежде всего, мы стремимся достичь наилучшего возможного результата. Но соотношение “управляемость — плавность хода” вынуждает идти на компромисс. “Спортивные” настройки автомобиля обеспечивают высокую маневренность, а настройки “комфорта” повышают плавность хода. Окончательный выбор делается в конструкции самого изделия. Модельно­ориентированный подход проектирования позволяет нам находить оптимальные решения этой сложной задачи, а также совершенствовать существующие проекты уже на самых ранних стадиях процесса разработки. Цифровое моделирование лежит в основе натурных испытаний. Кроме того, мы применяем специальные виды расчетов для проведения стендовых испытаний разрабатываемых узлов».

Устранение противоречия между маневренностью и плавностью хода

Создание точной цифровой модели плавности хода и маневренности автомобиля — непростая задача. Плавность хода и управляемость зависят от множества механических узлов: подвески, амортизаторов, двигателя и его крепления, сидений, рулевого управления, кузова, трансмиссии, а также аэродинамики. Крайне важно, чтобы базирующиеся на единой платформе модели автомобилей отличались не только по дизайну, но и по поведению на дороге. Людгер Драгон отмечает: «Мы широко применяли численное моделирование для анализа плавности хода и управляемости при разработке автомобилей нового A­класса, B­класса, а также моделей CLA, GLA и CLA Shooking Brake. Все эти модели имеют немало общих узлов, но их потребительские характеристики существенно различаются как по дизайну, так и по ощущениям от вождения».

На предприятии широко внедряются средства управления динамикой автомобиля. К ним относятся такие системы, как активная подвеска Active Body Control (ABC) и система динамического управления амортизаторами Continuous Damping Control (CDC), система помощи при торможении, система защиты от ухода с полосы движения и электрический усилитель руля.

Освоение новых рынков, таких как Индия и Китай, требует увеличения в ходе разработки автомобиля количества расчетных сценариев с различными сочетаниями нагрузок

Системы управления

«Наличие активных систем заметно расширяет наши возможности при разрешении конфликта между плавностью хода и маневренностью, — отмечает Херст Браунер. — Разработка таких систем выполняется параллельно разработке самого автомобиля. Активные системы позволяют заметно улучшить обе характеристики одновременно. Мы создаем машину, ведущую себя на дороге именно так, как этого ожидает целевая группа потребителей. Поэтому наши инструменты численного моделирования должны быть способны реалистично моделировать динамику автомобиля. Разумеется, такой подход включает и программно­аппаратные испытания активных систем управления, причем проводимые в той же системе, а не в отдельном программном пакете моделирования динамики транспортных средств в реальном времени. Встроенное программное обеспечение систем управления разрабатывается различными подрядчиками, поэтому нам необходимо моделировать и испытывать не только каждую систему по отдельности, но и совместное поведение всех имеющихся систем помощи водителю. Все подобные системы управления регулярно анализируются с использованием программного и программно­аппаратного испытания.

Наконец, чтобы подготовить виртуальную модель автомобиля к реальным испытаниям, требуется добавить к ней еще большее количество элементов, определяющих число пассажиров, стиль вождения и дорожные условия».

Соответствие нормативным требованиям

Сегодня в Daimler изготовление физических прототипов на базе цифровых моделей стало не­отъемлемой частью процесса разработки автомобилей. Инженеры создают точные и подробные цифровые модели. Новые изделия в обязательном порядке разрабатываются на основе проверенной модели уже выпускаемого автомобиля, в которую вносятся необходимые изменения. Ряд трехмерных моделей новых узлов создается на самых ранних этапах проектирования. Они применяются для контроля проектных решений с использованием так называемых технологий быстрого прототипирования. Когда все узлы собраны в готовую машину, она проходит стендовые испытания.

Сегодня работающие в реальном времени модели управляемости автомобиля применяются не только для постоянных испытаний и оптимизации конструкций на всех этапах разработки, но и для подтверждения соответствия нормативным требованиям.

Новые рынки — новые требования

В каждой стране имеются свои требования к управляемости автомобиля и плавности его хода. «Наша цель — разрабатывать каждый автомобиль по таким стандартам, которые позволят настраивать его характеристики в соответствии с требованиями различных рынков», — поясняет Л. Драгон.

Возможность такой настройки — неотъемлемая часть DPT­процесса компании Daimler. Людгер Драгон отмечает: «Точная настройка выполняется на местах в соответствии с пожеланиями потребителей и дорожными условиями. Мы предлагаем индивидуальные настройки для каждой страны. Мы прислушиваемся к мнению потребителей. Например, американцы не ждут от нас еще одного американского автомобиля. Они полагают, что Mercedes­Benz должен вести себя на дороге как европейская машина. Поэтому существует ряд особых настроек для американского рынка. В частности, отличается динамика поперечной устойчивости автомобиля». Аналогичный подход применяется и на новых рынках в Китае и Индии: характеристики автомобилей выбираются в соответствии с пожеланиями потребителей. Например, в Китае автомобили Mercedes­Benz предлагаются и в варианте с ­удлиненной колесной базой. Также необходимо учитывать дорожные условия. Состояние китайских и индийских дорог сильно отличается от европейских. Выход на новые рынки приводит к тому, что растет разнообразие вариантов нагрузок, которые инженеры должны учитывать в процессе разработки, а технические требования еще более усложняются».

Теодор Гроссманн добавляет: «Сегодня при выполнении моделирования ходовых качеств используется около десяти различных типов дорожного покрытия. В будущем нам придется рассматривать от 20 до 50 различных вариантов состояния дороги. Количество численных экспериментов значительно возрастает, поскольку ходовые качества на каждом виде дороги необходимо исследовать при различных скоростях, загрузках, ветровых условиях и т.д.».

LMS Virtual.Lab Motion

Чем больше сценариев рассмат­ривается, тем больше объем получаемых результатов. «Мы создаем огромные объемы данных, выполняя полностью автоматические исследования с использованием функций автоматизации, предусмотренных
в LMS Virtual.Lab Motion. Получить такой объем данных легко, но их анализ и оценка — весьма трудоемкая задача, — рассказывает Л. Драгон. — Трудность заключается в выборе наиболее важных сведений из огромного массива данных. Для ускорения работ мы автоматизировали процесс отбора данных. Автоматизированные расчеты выполняются каждые выходные. Для их проведения нужно подготовить все необходимые данные по каждому варианту нагрузки, а решатель должен функционировать исключительно стабильно и предоставлять возможность проверки получаемых результатов. Разработка автомобиля без применения численного моделирования стала практически невозможной. LMS Virtual.Lab Motion — мощное средство оценки плавности хода и маневренности машины. Решатель работает стабильно, с высокой надежностью выдавая результаты отличного качества. LMS Virtual.Lab Motion — основной инструмент для количественной оценки и описания ходовых качеств автомобиля на частотах до 30 Гц. Существенным преимуществом для процесса разработки является возможность встраивания конечноэлементных сеток в модель и их объединения, например, с моделями систем управления или характеристиками работы шин».

Людгер Драгон высказал и ряд пожеланий: «В будущем в автомобилях станет применяться все больше и больше систем управления. Поэтому возрастает роль программно­аппаратного моделирования (HIL). Мы бы хотели использовать решатель LMS Virtual.Lab для таких видов моделирования. Он должен рассчитывать модели автомобилей Daimler в реальном времени без упрощения их геометрии. Тогда мы сможем применять одни и те же модели и для определения маневренности автомобиля, и для расчета характеристик плавности хода. Мы хотели бы добиться идеальной интеграции средств численного моделирования с нашей системой управления данными, чтобы непосредственно управлять процессом разработки документации на детали и узлы. Подобный обмен данными становится все более важным аспектом».

Применяемые Daimler современные стенды оценки плавности хода и маневренности автомобилей

Имеющийся в технологическом центре компании Mercedes (Зиндельфинген) стенд программно­аппаратного моделирования плавности хода и маневренности позволяет разработчикам выполнять объективную оценку систем и узлов будущих моделей автомобилей Mercedes на самых ранних этапах проектирования. При этом качество такой оценки близко к идеальному, и ее можно выполнять задолго до изготовления первых опытных образцов.

Стенд для испытания ходовых качеств автомобиля выполнен по схеме «гексапод» и установлен на шести подвижных опорах. На стенд устанавливается полномасштабный автомобиль Mercedes-Benz с водителем внутри

Ячейка стенда исследования маневренности оборудована экраном с круговым обзором. Шесть ее ног управляются мощными электродвигателями, а возможность перемещения по 12-метровому рельсу обеспечивает имитацию перестроения с одной полосы на другую

Стенд для исследования плавности хода в г.Зиндельфинген (Германия)

Автомобиль подключается к центру управления стенда при помощи канала прямой передачи данных. Информация об ускорении, торможении и работе рулевого управления передается непосредственно в компьютер управляющего центра, где она сохраняется. Компьютер вычисляет ходовые характеристики со скоростью более тысячи раз в секунду и преобразует их в движение стенда, имитируя воздействие дорожных условий на автомобиль: например, при быстром прохождении поворота кузов наклоняется. Смена полосы движения имитируется перемещением стенда по рельсу длиной 12 м. При этом на экране с углом обзора 360° отображаются дорога, окружающий ландшафт и другие транспортные средства. Стенд для оценки маневренности расположен в том же здании, что и стенд для проверки плавности хода. На стенде для проверки плавности хода имитируется и измеряется ускорение, испытываемое водителем и пассажирами. Стенд способен работать на частотах до 30 Гц. Затем результаты расчетов сравниваются с ходовыми качествами реальных машин, в том числе и автомобилей конкурирующих компаний. Совместное использование двух стендов позволяет объективно оценивать две противоречащие друг другу характеристики: маневренность и и плавность хода.

САПР и графика 4`2015