动态仿真技术在工程机械开发中的应用外文翻译资料

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动态仿真技术在工程机械开发中的应用

Reno Filla Jan-Ove Palmberg

Department UG Fluid and Mechanical Engineering Systems

Research amp; Development Department of Mechanical Engineering

Volvo Wheel Loaders AB Linkoping University

S-631 58 Eskilstuna S- 581 83 Linkoping

Sweden Sweden

reno.filla@volvo.com janpa@ikp.liu.se

摘 要

随着汽车工业的发展，整车动态仿真在越野机械的发展中得到了越来越多的应用。然而，由于公司的结构和规模，特别是产品的类型，出现了一些具体的问题。不同领域的紧密耦合的非线性子系统使得预测和优化整个系统的动态行为成为一个挑战。此外，对多用途机器的需求有时会导致相互矛盾的目标需求，并可能将设计过程转变为寻找最不痛苦的妥协。这可以通过深入的系统知识和模拟驱动的产品开发来避免。本文综述了沃尔沃轮式装载机公司和林克平大学在这一问题上的联合研究，并列举了相关文献综述的结果。与其给出详细的答案，不如研究当前和未来研究的问题空间，并勾画出可能的解决方案。

关键词：动态仿真，复杂系统，集成产品开发

1引言

所有的工程师可能都了解虚拟样机技术的应用目的。现在出台的一些严格的法律制度(如关于废气排放和噪声的)和较高的用户指标(如有关设备性能和操作方面的)均需要更为先进、复杂的技术来完成产品的设计。如果我们采用传统的设计方法，将会需要更多的研制费用和较长的研制时间，但竞争激烈的市场要求我们降低产品的研制费用和缩短产品的研制周期。

“虚拟样机”已被汽车行业普遍采用，作为解决消费者（汽车）和商业（卡车和公共汽车）这一冲突的一个重要步骤。从子系统的仿真开始，最先进的是整车仿真，主要用于评估操纵性、舒适性和耐久性，也用于碰撞试验。

越野设备行业落后的一个原因可以从这些公司的规模中找到：规模小得多，对最新CAE工具的广泛投资（连同必要的培训）需要更长的时间才能摊销。另一个可能也是更重要的原因是，这些产品与公路车辆行业的产品非常不同——不仅在几何（尺寸）方面，而且在拓扑上（各个领域的子系统及其相互连接）。

最近人们公布了一些对整台车辆进行仿真计算的应用实例，涉及仿真技术[1]、车辆的子系统[2]、舒适度[3]和稳定性[4]。本文讨论的是整台车辆的动态仿真问题，目的是分析、优化车辆的整体工作性能。虽然研究的对象是液压驱动式挖掘机，但得到的结果也适用于其他越野机械设备。

图1.Volvo L220E型装载机的多系统仿真计算模型

2背景

由于这些机器的多功能性，轮式装载机需要满足许多要求，这些要求往往相互关联，有时相互矛盾。基本上所有的工业产品都是如此，并且得到了广泛的认可。由于本文的重点是性能（和相关问题），因此诸如总的拥有成本、市场可用性、可靠性等方面将不会被明确讨论。

仅举几个例子，以下与性能相关的方面很重要（随工作任务而异）：

-几何参数（举升高度，挖掘深度，卸载距离，平行对齐）

-载荷，扭矩和力（倾覆载荷，断裂扭矩，提升力，牵引力）

-速度和周期时间（整机和子系统）

-消耗和排放（燃油消耗，废气排放，声音和振动）

-可控制性（精度，反馈，响应）

显然，这些项目是由多个子系统（例如，举升力，由液压系统和负载单元确定）确定的，其他似乎可以归属于一个子系统（例如，牵引力）。因此，在选择技术解决方案时，在权衡产品目标时，人们可能会错误地将这些方面排除在优化循环之外。

然而，现代的流体动力学设计的轮式装载机由不同领域的紧密耦合的非线性子系统组成。由于所有子系统即使在看似简单的情况下也会相互作用，因此预测和优化整个系统的动态行为是一个挑战。

图2显示了主要关注的子系统在装载砾石时是如何相互作用的。

图2.轮式装载机，装载砾石的简化传输方案

（TC=变矩器，ECU=电子控制单元，V=车辆，I=仪表）

为了装载砾石之类的粒状材料，铲斗首先必须穿透桩。这需要牵引力，这是通过将扭矩从发动机通过变矩器，变速器，车轴和车轮传递到地面来实现的。然后，实际填充铲斗的典型顺序是通过向后倾斜一点，举起一点，然后进一步穿透来破坏物料。提升和倾斜功能需要通过液压泵（将扭矩转换为液压），气缸（将液压转换为纵向力）和装载单元传递发动机扭矩。

如图所示，两个不同的传递路径竞争有限的发动机扭矩。此外，在装载过程中，这两个路径在砾石桩中聚集在一起：穿透力在铲斗处产生反作用力，该反作用力抵消了挖掘力以及升力。就像短路一样，负载可以转移回原点，在这种情况下为发动机，并导致过载（系统之间的更大相互作用或发动机完全停止运转）。

必须通过精心平衡牵引力和提升/倾斜的设计来避免这种情况。但是，如果不影响其他功能，例如 机器速度和提升时间。除此之外，图2忽略了一个事实，即装载单元的几何形状和铲斗设计对于平稳地装载铲斗至关重要。另外，以不正确的方式操作装载机的机器，操作员可能难以实现良好的平衡。在这种情况下（但不仅限于此），实施复杂的电子控制策略可能会很有帮助。

上面，已经描述了在一种单一的（然而频繁的）处理情况下的一个单一的阶段。 典型的加载周期包括几个阶段，每个阶段都必须建立平衡。此外，还有很多不同的处理情况，每种情况都有其自己的要求，均需要满足。

有志于开发一款每次都明显优于前代产品的产品，这会变得越来越难实现。在越野设备行业，电子控制的发展趋势与在路上的分支（轿车、卡车和公共汽车）一样引人注目。在图2中，这由5个电子控制单元来表示，每个单元都有特定的用途（组件或子系统）。该环表示ECU连接到的公共数据总线（CAN总线）。

3设计过程，当前环境

由于该研究项目是在沃尔沃轮式装载机上进行的，因此本文全文将以其产品开发过程的一部分为例。但是，有许多迹象表明该过程对于越野行业中的其他公司是类似的。

如上一节所述，其目的不是描述整个开发过程，而是集中于处理总体机器性能的部分。在设定了初步的产品目标之后，一个初始的计算循环便开始了，目的是在装载单元，传动系统（包括发动机）和液压系统之间找到良好的平衡。在此过程中，逐步完善产品目标，直到判定整个系统的规格可接受和可行为止（图3）。

图3.初始静态计算循环示意图

在涉及几个假设的此步骤之后，对所有主要子系统进行导数分析，这将确认这些假设或需要使用已修改的输入参数返回到第一个循环。

如第2节中所述，轮式装载机（由紧密耦合的非线性子系统组成的复杂系统）在复杂（实际）情况下表现出复杂（非内部）行为。为了优化第一个，后两个需要尽可能地充分理解。在这种情况下，存在多种处理情况，每种情况都涉及具有自身复杂行为的人类。由于初始循环只依赖于静态计算（尽管有宝贵的经验指导），所以有可能假定的最优值在动态现实中不会完美地工作。

因此，下一步是构建早期的所谓“功能性原型”，将其用于广泛的实际测试中，目的是在设计阶段的早期发现任何静态和动态问题。然而，这些功能原型通常不是用于生产机器计划完全相同的组件来构建的，因为这些组件仍在开发中，因此只能作为早期原型（或根本不能用）。这就带来了一种风险，即动态缺陷要等到以后才能被发现。

一个例子是发现引擎的关键。与旧的机械控制发动机相比，电控发动机的响应时间更长。造成这种情况的原因有很多，其中之一是ECU本身需要一些时间来收集来自传感器的所有信息，进行处理并计算适当的措施。此外，现代发动机必须根据最新的废气排放法规进行认证。在瞬态负载情况下，当今几乎没有柴油发动机显示出任何可见烟尘的迹象。这是通过在低涡轮压力下限制喷射的燃油量来实现的，从而使发动机的响应速度变慢。第二个例子是液压泵：现代轮式装载机由负载感应液压系统组成，在大多数情况下，它们优于旧的开放式中心设计。在这种LS系统中，泵的响应时间是关键因素。如果使用一个或多个具有不正确动态特性的泵，以及如上所述的柴油发动机构建功能原型，则整个装载机的动态特性可能与一系列制造的装载机的动态特性有显著差异。

下一步，构建“真实”原型的要求是，所有主要组件至少是成熟的原型，接近批量生产；在此阶段，所有主要测试均已完成，详细设计进入了最终阶段。提到的功能原型程序有时会发现其他动态复杂性，这是不幸的，但可以通过预先评估和准备可能的调整来解决。

在下一阶段，建立一个所谓的“生产原型”，所有组件都必须进行批量生产，最初，该原型旨在允许生产设施测试和改进组装方法，但是由于即使是成熟的主要组件原型也可能由于显示出与批量生产不同的动态行为，该最后一个原型也可以用于其他验证。在此阶段，任何与性能相关的检测到的问题都非常昂贵，并且可能危及整个项目的时间表，但是要进行批量生产下一步存在缺陷的机器是不可接受的，因此对该原型（及其现在更新的前身）的测试非常彻底，即浪费资源。

通常，对机器性能的评估包括几个阶段，例如组件验证（例如发动机），子系统测试（例如举升时间和牵引力）以及最后对整个装载机的测试。后者首先由经验丰富的测试人员在公司的试验场进行。通过这些测试后，原型便发送给选定的客户，这些客户在日常工作中使用它们。这确保了更多种类的操作员有机会判断设计。

这种过程通常被称为“ V方法”，其中将全局目标细分为子系统和组件的目标（自上而下），而验证则以相反的方式进行（自下而上）有趣的是，测试越是类似于真实生活，结果的可测量性就越低。隔离组件的规格很容易通过测试台中的测量来验证。子系统很难测试，主要是因为测试台很少，这样做是适当的，但是由于并未指定动态行为的每个方面，因此由专业测试人员对整台机器进行测试有时表明，这些人比普通的轮式装载机操作员经验丰富得多，存在偏见甚至不由自主地存在的风险。尽管如此，由于试验场地有限并且人员有限，因此不可能考虑到各种不同的办案方式和操作习惯。因此，这些机器由选定的客户进行了现场测试。但是，在最后两种情况下，对完整机器性能的验证很大程度上取决于操作员及其主观判断。尽管聘用的测试人员更习惯于以可衡量的方式表达他们的印象，但在市场中占据重要地位的是客户的声音。挑战在于如何量化平衡良好的机器的标准，以及如何在测量过程中量化所有边界条件，即如何确保可重复性。

4设计过程与可视化

在越野机械设计领域，人们研究的课题是，如何变革现在使用的产品研制方法和设计过程（有关Frost的重要评论，请参见[5]），主要研究的问题是如何利用动态仿真技术，改变现在使用的设计理念。因此本文重点讨论，如何利用动态仿真技术分析、优化越野机械设备的整体工作性能，这在前面已经提到过。

变革现在设计方法的目标是：将节约的资源(如时间、资金和人力)投入到优化产品的研制过程、方法以及性能上。设计产品的具体目标如下。

导致产品的开发

(1)较高的工作性能、生产率和操作性

(2)较好的越野性

(3)较短的研制周期

(4)较低的研制费用

与今天相比。

节省的资源（时间，金钱和人力）用于优化列表中第一项中提到的一个或所有方面。

在早期的项目中，我们学到了一个有价值的教训：当涉及到迭代时，速度很重要，特别是在概念阶段。当沃尔沃旧的装载单元计算程序被更现代化的版本取代时，这是通过一个专有的模拟系统完成的，该系统基于多体系统（MBS）和一个现代化的数据库。开发是在内部完成的。这种新的仿真系统已被证明是更灵活，更准确，尤其是更有效的用户，除了一些预先研究的工程师，谁使用了优越的速度旧的计算程序，以蛮力优化装载单元几何形状。由于新系统是通过多体模拟而不是通过计算硬编码的显式方程来获得结果，因此一次运行所需的时间比旧程序长几秒。旧式的蛮力优化不再具有时效性。如果这在以前就知道了，也就是说，如果它被纳入了项目目标，人们就可以开发一个特别的缩小规模的版本，它不太准确，但速度更快。新系统的引入迫使那些预科工程师放弃了一种有效的技术。

在课题进行过程中，我们还发现了其他类似问题：目前进行静载荷计算的程序速度较快，所得到精度也较高(见图3)。但缺点是，在研究整台车辆的动态特性时，常常先需要进行概念样机测试，然后对真正的样机进行试验，最后再改进设计（如图4所示）。

图4 修改设计过程

和实际设计过程一样，在利用动力学仿真程序进行越野车辆设计时，首先，将产品的设计目标函数值输入到初始计算静载荷的程序中。如果对计算的结果不满意，则修改目标值,接着进行所谓的“动态增加，静态计算”(解释见下文)。同样，只有当计算误差在允许范围内，程序才会对目标值进行迭代循环计算。由于进行迭代的目标值不可能包括设计对象的所有条件(包括动态特性)，所以循环计算中的误差检验准则需要在一定范围之内进行设置。只有当计算误差过高时，才会使用新的静态计算循环程序(这时需重新输入产品目标值)。如果计算结果仍不合理，那么就应该对目标值进行修改。

由于整台车辆的仿真计算需要的时间较长，所以快速检验初始循环计算结果非常必要。通常检验过程在循环计算的第二步完成，但具体方法仍需要进一步的改进。 例如，在一个“挖据机性能的循环计算中”就存在着这么一个临界阶段，让一个装满货物的机械设备(该设备带有一个装满货物的大桶，例如挖掘机)改变其运送货物的方向，这时车辆的各个子系统之间就存在着相互协调的关系：

1.为了挖掘机转向，操作人员往往要降低其发动机的速度(否则，换档会不平稳，变速器联轴节可能过

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