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Simcenter物理测试解决方案,仿真与测试的完美结合

2019-03-31e-works 田耘

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Simcenter 物理测试解决方案可以帮助企业创建切实有效的数字化双胞胎,并在预测性工程分析领域扮演着重要角色。

    当数字化变革的潮流席卷全球之时,汽车行业的数字化创新显得最为迫切,因为汽车产品正在电气化、智能化、轻量化等多种技术变革的颠覆之中亟待浴火重生。面对这些挑战,Simcenter 恰逢其时地为汽车工程师提供了相关解决方案。在汽车 NVH、操纵稳定性、空气动力学、耐久性等测试领域,Simcenter物理测试解决方案不断坚持创新,利用其强大的测试软件及测试硬件系统,并通过与 Simcenter 系统仿真和 CAE 仿真技术相辅相成,实现了为仿真设计的早期工程提供可靠的试验输入,为提高仿真模型的精度和工作效率提供重要的数据支持。Simcenter 物理测试解决方案可以帮助企业创建切实有效的数字化双胞胎,并在预测性工程分析领域扮演着重要角色。

    2019 年 3 月 19-22 日,汽车及交通运输行业的 Simcenter 测试技术周- NVH&模态测试及疲劳技术专题研讨会在北京理工大学举办。会议期间,围绕Simcenter 整体平台及 Simcenter 物理测试解决方案等内容,e-works记者采访了Siemens PLM Software 大中华区仿真与试验技术总监石银明博士。

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Siemens PLM Software 大中华区仿真与试验技术总监石银明博士   


记者:西门子汽车测试跟数字化双胞胎有哪些渊源?

石银明:最近20年以来,技术的发展逐步从计算、仿真、虚拟样机发展为数字化双胞胎。在历史演变过程中,计算的内涵是最小的,仿真的内涵虽然更高,但是内涵不够宽。虚拟样机的概念提出来后,仿真的概念进一步扩大。虚拟样机的概念也存在两个问题,一个是虚拟样机太强调“虚”,“实”没有体现出来。第二个问题,虚拟样机是一个静态的概念,而数字化双胞胎这个概念刚好弥补了前面的缺陷,所谓数字化双胞胎一定要虚实结合。

    其次,数字化双胞胎这个概念意味着所有产品的设计一定是三个维度的。 第一个维度是产品,例如整车、动力总成、变速箱或某些齿轮。第二个维度是产品属性,例如振动噪声属性、燃油经济性属性、疲劳耐久属性、安全性属性。第三个维度是时间轴,是产品研发阶段的维度,从需求模型开始,到概念模型、详细设计、虚拟试验、实物试验,在不同的研发阶段有不同的目的,输入、输出、模型的颗粒度、精细程度也不一样。所以数字化双胞胎有一系列不同的产品对象,例如整车、子系统,或是零部件;不同的属性,例如是振动噪声的属性、疲劳耐久的属性;不同研发阶段,例如概念设计、详细设计、批产之后。整个不同的对象、不同的属性,在不同的研发阶段的一系列模型组成数字化双胞胎。一系列的虚拟样机组合在一起,叫数字化双胞胎。

    第三个概念,由于数字化双胞胎里面有一系列在虚实之间不断交换的虚拟样机,所以在不同阶段、不同颗粒度的模型之间一定是关联的。早期的技术状态变更会影响后面的模型性能,因此要求数字化双胞胎是能够被管理起来的。以前在虚拟化样机里面往往体现不了这一点,这是数字化双胞胎的三层含义。   

记者:现在行业里都讲到主动声控制和智能化控制,西门子工业软件在这方面有什么样的解决方案和应用?

石银明:
一般要解决振动的问题,很多人会被动的改产品结构的刚度、重量,以及铺阻力材料增加隔声,减振降噪,这是被动的减振噪声办法。现在是非常智能化的社会,车在很多年以前是一个机械产品,或者是机电产品,但是现在将车定位为移动智能终端。由于当时感知环境的传感器比较弱,加之实时的处理能力不强,只能采用被动的减振噪声办法。而现在有很强大的中央处理器单元,它可以把环境感知、信息融合技术很快地生成控制指令,得到非常合适的控制策略,传给作动器进行消声。主动消声是未来非常大的趋势,在技术上需要对环境感知的能力,以及芯片的计算能力,可以实时去做控制策略的优化。

    例如,在汽车里,直流电通过逆变器变成交流电,给很多电机供电,这些都是非常大的噪声源。如果被动地改这些噪声源的结构,效果很差,后来改的是逆变器的控制策略,调整了逆变器的算法,从而控制了噪声。这是一个非常典型的案例,汽车结构在开模之后,后期没有办法修改,或者修改的成本非常高,可以考虑主动降声的办法,会得到很好的效果。

    这也与当下非常热的5G技术息息相关。在实验室可以看到,传感器会把一些有物理意义的噪声振动信号变成电信号,或者是变成数字信号。5G技术会解决主动减振降噪对数据传输速度的高要求。随着5G技术的进步,主动减振降噪的发展前景也会更好。

记者:Simcenter品牌发布以来,在技术上对西门子原有的CAE产品进行哪些整合,目前进行到哪个阶段?

石银明:
2007年以来,西门子收购了很多仿真跟测试产品,用一个比喻叫“大江大河归大海”。这些收购不是简单的收购,其中很重要的目的是进行整合。

    Simcenter希望把CAD设计和CAE仿真这堵墙打掉,这是一类整合。这类整合体现在西门子工业软件上,比如UGS本身有CAD的基因,NX CAD里面有非常强的同步建模技术,包括非常好的CAD引擎。

    第二个整合是将CAE和CAT进行整合。CAE仿真和试验的整合体现在两个层面:第一个层面是怎么样把试验结果间接地用到仿真环境,去校准三维仿真模型、一维仿真模型以及校准CFD模型,让模型更准确。利用校准以后的模型去做大量的虚拟工况、危险工况、极端工况、重复工况等,间接地利用测试信息。

    第三类是直接利用测试信息,比如基于模型的系统测试MBST。举个例子,在做发动机实验时,只有发动机,变速箱、离合器、车身系统都用模型,在发动机上布置很多传感器,才可以做虚实结合的试验。类似这种在一个虚拟整车环境里面做的发动机实物试验,比孤零零的做一个发动机的试验更准确、更有意义。

    还有一个层面是仿真指导测试。Simcenter里面专门有一个软件叫PreTest,在真正做实物测试之前,可以在模型里去优化传感器的布置方案,确保用最少的传感器个数,测出尽可能多的模态。传感器合理布置以后,将感兴趣的频带范围里模态一个不漏的测出来,这是CAE到CAT的整合。

    再回到CAE仿真这部分,其中一个整合是多学科耦合。现在把车定义为移动智能终端,已经是紧紧耦合在一起的非线性系统,无法拆开。这意味着做仿真时,要考虑到机电的耦合、流固的耦合、热疲劳的耦合、声疲劳的耦合、声固的耦合,包括控制和作动、被控对象这些耦合。

    Simcenter 1D里面机电、液、热、控是一个多学科的系统集仿真平台。Simcenter 3D是一个多物理场的仿真平台,涵盖强度、刚度、振动、噪声、热、流、疲劳耐久、复合材料等三维多领域、多学科的。Simcenter Testlab也是类似的,里面有振动测试、噪声测试、疲劳测试、环境测试、振动环境测试、噪声环境测试、热环境测试等等,整个Simcenter品牌,Simcenter 1D、Simcenter 3D、Simcenter Testlab都是在做多学科、多领域的耦合。

记者: Simcenter 3D和Testlab两个产品联合应用的主要难点在哪儿?仿真工程师如何和测试工程师进行配合,用好Simcenter?

石银明:
对于仿真和测试联合的难点,有些企业把仿真和测试隔的比较开,形成两个团队。组织上面的隔阂导致了工程师之间的沟通会带来一定的障碍,企业高层完全可以把这两个团队进行整合。

    要做到虚拟仿真的完美结合,也需要经验积累。一个是工具层面的积累,另外就是典型的材料数据库以及典型的零部件模型库。我建议企业在这两者之间多积累,因为每家的车型不一样,市场定位不一样。只有把这些基本功弄清楚之后,才能很完美的把虚拟仿真整合到流程中,才能在研发环节产生效益,把工程师和测试的数据用合理的流程串起来,这样效率才会更高。

责任编辑:田耘
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