Simcenter工程咨询服务帮助日产汽车公司揭示车身柔性和车辆操控性能之间的复杂相互作用

西门子工程咨询服务团队开发了先进的测试方法，以确定车辆操纵过程中的车身力分布并将车身变形可视化。

Simcenter工程咨询服务有三个主要优势。首先，他们将高端测试与CAE相结合。其次，他们与汽车原始设备制造商OEM广泛合作，并有着非常丰富的经验。最后，Simcenter工程咨询服务拥有一支非常优秀的全球专家团队。

------------- Hitoshi Kyogoku

汽车动力学CAE集团经理

CAE部门综合经理

日产汽车公司CAE和测试1部

挑战

深入了解车身刚度特性与车辆操纵性能之间的关系

将驾驶员的主观体验与车身载荷分布的变化联系起来

制定车身设计和车身刚度目标设定方法，以提高车辆操纵性能

关键技术

在时域中识别车身和悬架之间的工作载荷

创建车身trimmed body的模态模型，该模型包含车身整体柔度和悬架接口点的局部柔度

可视化车身变形以及时域中各个车身模态贡献量

研究操纵过程中车身载荷的形成方式及其对驾驶动力学性能的综合影响

成果

   深入了解专业驾驶员的主观感知与车身刚度变化对车辆动态性能影响之间的关系

    通过有针对性的车身结构设计修改，定义了改进车辆操纵性的流程

    开发了一种方法，能够在车辆开发过程的早期对车身柔性做出有洞察性的决策

01了解车身柔性和车辆操纵性之间的关系

为车身增加额外刚度可以改善车辆操纵性能和主观驾驶体验，但现有的测试技术或计算机辅助工程（CAE）无法解释这种关系。在设计下一代轻型车平台时，加强件的任何附加质量都需要仔细考量，且需要保持操纵性与噪音、振动和粗糙度（NVH）之间的适当平衡。简单地根据经验或试错法来添加车身加强件是非常低效的，并且可能导致在车辆开发过程的后期出现不希望出现的昂贵车身设计更改。因此，汽车原始设备制造商（OEM）寻找一种技术能够帮助进行决策。西门子数字工业软件公司的Simcenter工程服务专家构想了一种创新的测试方法，帮助日产汽车公司获得对车身刚度和操纵性之间关系的理解。

日产车辆动力学CAE集团经理Hitoshi Kyogoku指出：“开发车身以提高操纵性能通常需要很多时间，而且可能需要大量额外的零件成本。”Kyogoku属于综合CAE部门，该部门通过模拟仿真来优化车辆性能。该部门在对实际车辆进行测试之前评估车辆特性，如耐撞性、强度、NVH和操纵性，并不断寻找新技术来提高准确性和扩大其应用范围。在研究车身加固对驾驶员的影响时，工程师们与来自设计和测试部门的同事联手，并决定让Simcenter工程服务专家参与，以了解新的高端测试方法。他们共同进行了一项涉及不同车身变体的详细研究，希望全面了解车身刚度变化及其对操控性能的影响之间的关系。

02基于道路的独特的测试方法

“Simcenter 工程咨询服务部门采用独特的高水平测试技术，尤其是在操作车辆的条件下，”Kyogoku解释道，“这对我们来说非常重要。”诸如在台架上进行静态刚度测试之类的方法可以将车身加强效果量化为单个静态刚度值，但在道路上进行评估时，诸如横摆率、横向加速度或侧倾角等客观的全局车辆操纵性能指标通常很难与车身刚度变化直接相关。“Simcenter工程服务专家提出的解决方案可以揭示隐藏的机理，”Kyogoku说。Simcenter 工程咨询服务帮助我们识别载荷并在时域中可视化车身变形，这对我们来说是非常有价值的信息。”

03准确识别工作载荷分布

车辆整体操纵性能指标是悬架和车身之间所有力的综合作用的结果。想要了解机理和原理首先要研究道路上的各个贡献量，但准确的负载识别非常复杂。

车辆操纵研究包括瞬态现象，通常以低频为主。经典的基于加速度的矩阵求逆方法常常因为求逆矩阵的数值条件差而失败。低频模态通常只涉及几个独立的体模态，这导致逆矩阵中的传递函数之间存在显著耦合。

Simcenter 工程咨询服务团队提出了一种使用应变响应的替代矩阵求逆方法。这个方法对局部结构响应更加敏感，能够实现更好的进行矩阵解耦，从而能够在时域中精确识别载荷。

Simcenter工程服务专家在应变测试方面拥有丰富经验。作为测试和仿真方向的专家，他们利用CAE来探索悬架-车身接附点附近的应变热点情况，并为矩阵求逆定义最佳传感器位置。这些参考点的数量远远超过了待确定的力，并且对于矩阵条件数良好的方程组，能足够体现车身动力性能的多样性。

通过将实际测量的应变与实验室力-应变传递函数相结合，可以可靠地估计不同车身变体的受力。“我们对结果印象深刻，”Kyogoku证实道。“我们测试的车身加强件导致的作用力差异可以很好地被观察到，且具有良好的重复性。准确的时域车身载荷识别对于研究至关重要。”

04客观观察到的假设符合专家驾驶员的主观感受

Simcenter工程服务专家与日产工程师合作评估连接点处测得的力分布修改对车辆操纵性能的影响。“Simcenter工程咨询服务掌握了非常高水平的技术方法，”Kyogoku说，“我们的工程师与工程咨询服务团队之间的长足且公开的沟通是使这项研究取得成功的最重要因素之一。”这一合作清楚地表明了专业驾驶员在道路上的体验。在讨论中发现，力振幅及其与转向角输入相关的时间延迟（也称为“相位”或“车身力累积”）都很重要。通过详细研究力的相互作用，我们在对基础模型的修改评估中发现，一组快速作用的侧向力有一定程度的增加，而垂直力则是会重新分布。

由于侧向力会激励车身侧倾运动，而垂直载荷会抵消，因此假设瞬态车身侧倾运动会有适度变化。同时，由于横向力之间的相互抵消，工程师预计对横向加速度的影响有限。这些客观观察到的假设完全符合专业驾驶员在道路上的主观感受。

05做出有针对性的车身设计决策，以实现未来车辆的最佳操纵性

进行进一步深入研究，将识别的时域力与车身trimmed body的模态模型相结合，而这个模型是由在自由-自由边界条件下测量的传递函数组成。生成的全车身变形可以进行动画显示，并分解为单独的模态贡献量。这使得在车辆操纵工况的每个阶段，研究整体扭转和弯曲模态的相对重要性以及力引起的局部变形成为可能。这在比较不同车身变体的动态性能时非常有用。

与传统的台架静态刚度试验（通常只为整个车身提供一个单一的刚度值）相比，该方法允许基于车身模态的车身刚度修改。未来，这一知识可用于研究结构加固在何处更有效，并可更有针对性地优化车身柔性以实现车辆操控性能最佳。“我们将尝试在CAE中再现观察到的现象，”Kyogoku确认道。利用这些知识进行仿真将使该方法应用到设计阶段的早期。

这将有助于基于车辆操纵对车身柔性做出更合理的决定，同时在下一代轻型车辆的开发过程中保障对NVH的要求。它将帮助避免后期的维修成本。Simcenter工程咨询服务在这一新工程流程的部署中扮演着重要角色。“我认为Simcenter 工程咨询服务有三个主要特定，”Kyogoku总结道。“首先，他们将高端测试与CAE相结合。其次，他们与汽车原始设备制造商OEM广泛合作，并有着非常丰富的经验。最后，Simcenter工程咨询服务拥有一支非常优秀的全球专家团队。”