首页 > 解决方案 > 汽车 > Maple_车辆动力 Maple_车辆动力学高性能物理系统建模和仿真提高车辆设计效率
车辆制造商不断面临着的挑战是平衡燃油效率和安全同时要求更佳性能的需求,以及降低设计和样机成本,这些都需要工程师们在设计和开发过程中使用创新技术和工具。通过使用基于模型设计(Model-Based Design)和虚拟样机技术,汽车制造商得以显著降低设计和样机成本,同时满足政府和市场的要求。

受这些需求的驱动,各种各样的计算机辅助建模工具被开发出来,覆盖了车辆动力学行为的方方面面。然而,这些工具通常有非常特定的应用范围,以及使用计算密集的数值方法,例如有限差分和有限元方法。这些工具在设计过程中的“离线”阶段是有用的(不太要求快速给出结果),让高保真模型更快地实时运行实现硬件在环回路(HIL)测试成为车辆设计的日益增长的要求。

制造商越来越多地使用主动式机电一体化系统代替传统的被动式元件,从而实现减重降本,提高设计效率和动态稳定控制。这些子系统通常由机电元件和电子控制器组成,其中控制软件决定了系统的动态行为。在新型车辆中,可以很容易找到超过50个控制器。

数目不断增加的车载控制器意味着更多的软件进入到车辆的设计中。当然这带来了一些问题:嵌入式软件的开发比较昂贵,无缺陷的软件更是如此。此外,为了缩短产品上市时间,硬件组件往往是在与控制器并行开发,制造商面临的挑战是在没有实际硬件的条件下开发和测试控制软件。为了更好地了解动态行为,以及生成高保真车辆系统模型用于硬件在环测试HIL测试控制器原型,这些需求已经成为许多公司重要的开发环节。

这些公司的工程师们常常需要从基本原理出发开发出系统模型,推导系统的控制方程(通常是微分方程组和/或微分代数方程组),求解它们,然后在建模工具中实现这些模型。

系统(或控制对象)模型的开发是一个耗时的阶段,通常占用着整个项目时间的80%,特别是使用了不合适的工具。即使使用例如MATLAB® /Simulink®这样的工具,也需要工程师大量的手工操作工作,将数学变为可以使用的形式。所有的这些都意味着耗时、高代价、而且容易出错。



MapleSim车辆动力学应用案例:双横臂悬架的运动学建模、仿真、优化
车辆的动态稳定性,以及燃油效率和轮胎磨损,直接影响悬架机构的运动学行为,这需要大量的工作以实现车轮外倾、后倾、前束等在道路上颠簸时的最佳运动,在双横臂悬架更加难以实现,因为有10个节点影响着系统的几何体,通常称为“硬点”。
 

遇到的挑战是如何计算硬点的空间坐标,从而获得期望的车辆运动。使用MapleSim,可以非常容易地用图形元件和连线定义机构的拓扑,外倾、后倾、和前束对应的控制方程将被MapleSim自动生成。

当模型定义完成后,工程师可以输入各个硬点的x,y,z坐标值。MapleSim可以通过高级符号计算技术自动得到控制系统的微分方程组,并通过指数约减、代数替换等简化这些方程。接着MapleSim会求解简化后的常微分方程组,得到车辆在垂直位移(这里使用了一个振幅为100mm的正弦波表示冲击和回弹)下的外倾、后倾、和前束。

在完成计算前定义一组硬点数值,这些是得到的结果。通常情况下,这些需要与标准曲线对比,确保它们符合车辆所需的运动。在设计初期,结果并不理想,工程师需要调整硬点给出期望的曲线,这些工作非常困难,而且耗时。

一个更有效的方法是输入数据形式的标准曲线,然后使用Maple的全局优化工具箱,将输入的曲线作为目标函数,你可以辨识哪些硬点可以移动(由于设计约束,通常仅有少数硬点可以移动),以及变化范围。Maple全局优化工具箱,将发现最佳的坐标值,让运动学特征最接近期望的曲线。

当你完成优化模型后,你可以使用MapleSim Connector输出模型对应的S-Function到Simulink中,从而得到高保真的元件模拟车辆动态行为,特别适合硬件在环测试HIL,接近实际情况。

自动模型推导
这是MapleSim(一个高性能物理系统建模和仿真工具)得到全球用户广泛认可的一个原因。MapleSim可以自动生成代表模型的数学方程,在复杂项目时可以有效减少开始时间,节约数周甚至数月的时间。
这些自动生成的方程被自动无损失符号简化,生成简洁、数值高效的模型,实现复杂系统的高速仿真。

用一个简单的直流电机为例,控制方程是由两个微分方程组成,需要重新排列格式,然后使用信号流块(积分、增益等)搭建对应的模型。使用MapleSim,你不需要担心数学推导,你仅需要重新创建电路框图,使用直观的元件添加机械元件(这里是转子)到屏幕上,然后运行仿真。
仿真
MapleSim友好的图形用户界面环境让开发数学模型变得非常轻松。例如,如果你正在建模多体机电系统,MapleSim让你能够用图形化方式定义系统,然后生成系统对应的运动方程。

图形化建模环境,MapleSim自动生成模型对应的运动方程。

概念非常简单:MapleSim 的图形用户界面允许让你用框图建立系统拓扑,其中相互连接的方块代表系统元件 – 连杆、柔性梁、充气轮胎、电路等 – 以及它们之间是如何连接的(系统的“拓扑”)。这些方块有大量的设置参数(质量、惯性矩、电阻、电感、运动副约束等),你可以通过添加探针到模型框图上测量感兴趣的量。在模型仿真过程中,MapleSim会自动生成和简化描述系统行为的控制方程。

MapleSim与数学软件Maple紧密集成,使用Maple,提取模型底层的方程,完成详细的分析,此外,Maple中的DynamicSystems工具,提供了一套分析线性系统的函数库(如Bode、根轨迹、频率响应、时域响应、可控性、可观性等)。这些以及其他的分析工具可被用于在Maple环境中优化设计参数,然后将MapleSim模型同步更新为优化后的参数。

通过使用MapleSim™ Connector,模型可以快速输出到Simulink®中。MapleSim™ Connector是Maplesoft许多产品中的一个,帮助开发和部署车辆系统的动态模型。利用Maple内置的代码生成功能,以及降阶处理和符号简化技术,生成高度优化的模型代码(c code),并自动将其转化为Simulink S-Function块。

强大的数学计算功能
MapleSim是建立在世界上最强大的数学引擎Maple之上。MapleSim使用了Maple广泛的数字和符号计算功能完成非常复杂模型的高速仿真。这意味着Maple可以进入和查看系统模型底层的方程,以及完成使用这些方程完成高级数学分析,例如优化、控制分析工具。Maple内置完整的编程语言,让你能够完全控制仿真。

Maple中的计算或项目文件时“活”的,对参数或模型的任意改变将自动同步更新Maple文件。这一特征让设计文件更容易分享和重用,特别是你可以将文件附加到单个MapleSim模型中。MapleSim中的项目管理器可以让你将仿真模型和相关的设计文件和自定义元件统一存放和管理。

硬件在环测试
如果你对模型满意后,可以使用MapleSim™ Connector通过简单的按钮点击生成子系统对应的Simulink S-Function,或者直接通过接口工具箱输出MapleSim子系统模型到dSpace或NI LabVIEW/VeriStand平台。由于MapleSim中的数学模型非常简洁高效,可以在实时平台下运行系统。一些应用实例表明,相比其他工具((如ADAMS和SimMechanics®),MapleSim生成的多体机构模型运行速度要更快,这使得工程师可以开发更高保真的模型用于硬件在环测试HIL。


设计优化
使用MapleSim进行动态系统建模一个非常好的功能是,可以非常容易地将模型运行在大量“what-if”设想下,并重新定义你的设计参数。对很多人讲,仅需要调整参数值并观察结果直到发现“最佳”值(虽然不太严格),但这种通过手工调整的方式非常耗时。

通过使用MapleSim的交互式文件模板,你可以在Maple环境中处理系统的数学模型,使用各种高级求解器和工具。例如Global Optimization Toolbox集成了世界级的优化算法,你仅需要非常少甚至没有底层数值技术的情况下解决优化问题。你仅需要建立模型变量、边界、目标函数和约束。Global Optimization Toolbox无缝集成全局和局部区域搜索算法,自动完成剩余的工作。

例如,让我们考虑车辆的悬挂系统,并假设我们需要找到弹簧和阻尼参数,满足期望的行驶。基于基础的二阶模型,我们可以使用Maple中的DynamicSystems工具得到系统时间响应,但是我们不得不使用初始参数,这有可能导致得不到期望的响应。我们可以手工调整参数,然后迭代逼近正确解。为了让这项工作更精确、更有效率,我们可以使用Global Optimization Toolbox for Maple自动发现这些最优的参数值。这是一个相对简单的例子来说明这一点,但Global Optimization Toolbox for Maple可以适用于具有大量变量和约束的复杂问题。

全局优化工具箱经常被用于模型拟合和校准。经常会遇到这样的问题,工程师有一个非常好的理论模型;但是他们没有足够的参数值,让模型的行为与实际系统相同。这种情况下,你可以从实际系统采集实验数据,,确定模型的目标输出,然后使用优化技术发现必要的参数值,让输出尽可能地匹配。由于你通常处理的是非线性系统,伴随着动态响应,对这一类型的问题有必要使用全局优化得到最优解。相比传统的统计回归技术,这是一个更好的模型拟合方法。

使用全局优化工具箱,你可以快速发现最优的参数值,最小化系统响应与期望相应之间的差值,无需手工重复调定。

模型拟合,或者说参数匹配,是优化技术最常用的用途。相比传统的统计回归技术,它可以更好地让复杂模型的参数匹配实验数据。
新一代建模工具通过创新突破障碍

汽车设计工程师可以使用很多软件工具,这些工具提供了非常先进的计算技术用于建模和分析车辆动态行为。其中许多产品非常专业,但常常有特定的应用范围。例如,传统的建模方法要求工程师需要完成耗时、容易出错的系统方程推导,这些对工程师的数学知识有较高的要求。或者一些软件仅考虑了车辆的多体机械部分,而没有考虑动力传动系统。

Maplesoft工程产品系列提供了独特的功能,MapleSim使用新一代物理系统建模技术,让你更容易构建和理解系统模型。MapleSim自动生成模型框图对应的控制方程,并完成高级符号简化处理,生成复杂系统的简洁模型和高速仿真。

此外,由于MapleSim中使用了世界领先的符号计算技术,许多工程师已经发现他们开发的动态系统模型相比以前使用传统工具开发的模型具有更好的数值计算效率。这意味着,将动态车辆模型放入硬件在环和驾驶员在回路模拟器上可以实现更大程度的保真度,进一步降低设计错误的风险和降低成本。

Maple & MapleSim提供了一个高度灵活、易于使用的环境,工程师可以探索想法和概念,超越传统工具的固有限制。此外,Maplesoft提供了一些附加产品、特定功能的用户界面、分析库、输入/输出功能,Maplesoft能够为车辆设计工程师提供一组工具,可以更容易、更快捷建立系统模型、生成和验证系统模型、把模型部署到工具链。

Maple结合MapleSim集成建模和仿真提供了完整的机构控制一体化仿真分析解决方案。这种结合,一方面在MapleSim中真正实现复杂的机械、控制、电子、气动、多体机构等多领域系统的完整建模;另一方面,可以使用Maple中庞大的数学分析程序和工具对模型进行各种常规和深度分析。Maple和MapleSim相辅相成,发挥各自的特征,从而极大的扩充了软件的应用范围和能力。利用Maple & MapleSim的机构控制一体化虚拟样机技术对机电系统进行整体设计、调试和试验的方法,同传统的设计方法相比具有明显的优势,可以大大提高设计效率,缩短开发周期,降低产品开发成本,获得优化的机电系统整体性能。
相关工具
 Maple
 MapleSim
 Global Optimization Toolbox
 Driveline Component Library
 Tire Component Library
 Control Design Toolbox
 MapleSim Connector
 MapleSim Connector for LabVIEW and NI VeriStand Software
 MapleSim Connector for dSPACE Systems
 BlockImporter for Simulink

了解更多MapleSim信息,请登录www.cybernet.sh.cn,或者直接联系莎益博工程系统开发(上海)有限公司。