整车开发流程第四章-电子虚拟样车阶段
“ 电子虚拟样车阶段越来越重要了，很多企业巴不得只要电子虚拟样车阶段签发一过就可以开动工厂造车了，虽然说的有点过，但在当前时间成本要求越来越高的时候，电子样车阶段变得异常重要，电子样车阶段能把问题提前考虑周到，把问题风险降低，但其实隐藏在电子样车阶段是主机厂的真正软实力-对自己平台架构的深刻理解，对汽车工程知识经验的积累与传承。所以“虚拟大法虽好，但用起来需要自身实力在”，这篇文章让我来看看电子虚拟样车阶段到底做些什么”
4.1
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构建电子虚拟样车
Building Virtual Cars
4.1.1 目的和优势
4.1.2 电子信息系统环境支持
合作设计和分析电子虚拟样车需要一个兼容且至少部分标准化的IT系统环境（见图4.1）
一般需要以下IT系统设备环境支持：
三维CAD建模师，如CATIA、Pro/ENGINEER、NX或Solid Works，用于创建车辆零件的三维模型。因为几乎所有车辆的可见表面都必须满足很高的美学要求，并且最初可能是用粘土建模的（见第7.3.1.4），自由曲面造型是汽车设计中CAD系统最重要的功能之一。由于在这一领域的优势，CATIA已经成为汽车行业的准标准。Pro/ENGINEER尤其用于发动机设计，其中主要曲面是解析的而不是自由曲面，并且可以充分利用参数化设计的优点（例如，当将四缸直列发动机和六缸直列发动机设计为一个系列时）。汽车三维CAD系统的相关功能包括高级堆焊、高级实体建模、处理大型装配的能力[1]。虽然第一代三维CAD系统的设计者必须选择和调整基本几何图形或曲面来创建零件几何图形，但如今他们可以使用面向特征的建模器，将其设计意图（如钻孔模式或密封圈的凹槽）应用于零件。同样，当前的三维CAD系统也提供了专门的工具来生成线束、管子或管道的模型。
产品数据管理（PDM）系统管理和跟踪所有几何和非几何产品信息（如零件号、说明、成本、材料、技术图纸等）的创建和更改，并将其链接到相应的3D模型。为了存储和检索这些数据，PDM系统操作一个产品数据库。PDM系统管理产品的不同配置、版本和变体。因此，PDM系统是管理虚拟汽车建造和维护的工具，例如通过创建虚拟BOM，即虚拟汽车的层次结构。为了使产品结构可视化并便于选择特定调查所需的零件（例如，在定义的框内或部分框内所有零件的可视化），结构导航器用作PDM系统的用户界面（见图4.1）。
当CAD系统专注于单个零件的详细创建和更改时，3D visualizers允许用户设想更大的子系统装配，甚至是整个车辆。由于典型的操作是在产品中移动、旋转和缩放，可视化工具需要简化不同部分的模型，以减少所需的计算工作量。为此，将为每个零件细分包络模型，并通过PDM系统将其链接。有了最先进的可视化工具，一辆完整的虚拟汽车就可以被实时地可视化和移动——当然这取决于所用图形计算机的性能。可视化工具提供了附加功能，如带或不带分区窗格的飞行、运动学模拟或距离检查（请参见第4.2.2）。
当然以上只是电子虚拟样车基本上需要的IT系统环境，很多进一步的功能和性能评估需要专门的仿真工具，例如碰撞，整车热管理，动态性能，ADAS等等，整车性能的虚拟评估工具会在第七章和第八章讲到。
4.1.3 规范
4.1.4 CA数据提供
4.2
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几何集成
Geometric Integration
4.2.1 干涉检查
如果两个设计师在将其部件发布到虚拟电子样车中之前没有在电子样车中独立检查其部件更改，然后两个更改的部件相互干扰，或者设计师在发布其新版本之前没有检查其部件的完整环境；那么在具有高度同步数据提供的虚拟汽车并行工程中，虚拟零件之间会发生碰撞和干涉，因此必须通过几何集成来消除，以确保车辆的可实现性。
在开始几何分析之前，需要验证CAD模型的质量和可用性：模型是否完整？模型的位置是否正确？这些模型是最新的吗？图4.4显示了两个几何不一致的场景中的虚拟皮带传动：一个是发电机缺失，另一个是冗余过时皮带。
当所讨论的虚拟电子样车是完整的和最新的时，它会被作为3D visualizer一部分的工具自动检查碰撞和干涉。识别出的碰撞被传达回负责相关部件的工程师，以便他们能够评估碰撞和干涉的临界性[4]。图4.5显示了这样一个自动生成的碰撞和干涉列表，其中手动添加了关键性备注。碰撞部位在左栏两栏中指定，危险性在右栏用红色或绿色表示
如图4.6所示，虚拟部件之间检测到的碰撞的临界性可以显著千变万化：
左图中的碰撞是不很严重。橡胶软管与支架之间的干涉检测实际上是通过软管的弹性材料特性来解决的。不严重的碰撞和干涉的另一个典型例子是车门密封件和车身侧框之间的碰撞。密封件通常以其未变形的形状建模，并相对于门进行定位。当加载到完整的车辆图中时，密封件自然会与车身骨架模型碰撞和干涉，因为虚拟密封件不会像真实密封件那样变形。
图4.6的中心图显示了由尾灯总成的螺栓与相应的车身孔之间的不对中引起的碰撞。虽然碰撞和干涉肯定要在零件释放之前进行更改，但更改需要相当小的工作量：在三维CAD模型中，孔很容易移动。在批量生产阶段，当一个零件的几何结构发生变化，而相邻的零件还没有相应的更新时，这种干涉就频繁发生。
然而，图4.6的右图所示的碰撞是非常关键的，是刚性部件的干扰。像这样的概念关键冲突需要重大的设计返工。在系列开发过程中，这种完全干涉通常是由于零件在整车工作空间中的错误定位造成的
许多工程师认为，自动碰撞和干涉检查是一种检测和发布设计故障的手段，甚至反感干涉检查报告。他们将碰撞和干涉视为产品设计过程中的正常、中间状态。因此，“等待我的下一个零件版本”是解决它们碰撞的典型措施。但由于每个设计师都可以随时更新自己的部分，很可能新版本确实删除了列出的碰撞，但同时又在虚拟车的其他地方造成了另一次碰撞。碰撞和干涉自动检测是实现设计的基础，是整车同步开发的必要基础。
4.2.2确保功能间隙
术语“功能间隙”表示确保正常功能所需的两个部件之间的最小间隙。可能需要最小的间隙以避免热传递（例如排气管和隔热板之间），以允许活动部件在所有自由度上无碰撞移动（例如前轮在其轮罩中的移动），或为振动运动提供足够的空间（例如发动机在对其作出反应时的小旋转驱动扭矩）。利用碰撞检测工具可以很容易地检测到虚拟零件之间的干涉，同时确保手动接近功能间隙。三维可视化通常提供工具来测量两个部分之间的最小距离。在图4.7中的示例中，发动机支架和布置在其下方的冷却液软管之间的最小距离测量为7.5 mm。
需要多少间隙的问题只能由相应功能块的专家来回答。很多企业设计间隙库可以提供初始建议值。但是，由于许多参数都会影响所需的距离，因此必须由专家计算或估计可靠的值，例如，加热器软管和发动机之间的临界距离，与固定在发动机上的端部和固定在车身上的端部的相对运动有关，软管的弹性取决于温度和水的流速、车辆运行时软管的振动等。
4.3
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功能性能几何评估
Further Functional Geometry Evaluation
4.3.1 个人储物评估
为了确保在客舱和行李舱中存储个人物品的最佳实用性，这些评估直接可以在三维模型的虚拟电子样车中实行。在几何集成过程中包含此虚拟载荷，允许在早期的开发过程中进行验证托盘、口袋和行李舱的整体尺寸和可接近性（具体见7.3.3.3）.
4.3.2车辆运动学评价
几何集成评估过程的另一个高级应用是验证车辆运动学。这包括：
操作动作，如在每个位置移动换档杆（杯托和烟灰缸盖中有不同类型的瓶子打开或关闭），或简单地移动车门、发动机罩和行李箱盖。
功能性运动，如底盘、悬架部件和轮胎的跳动和反弹，转向部件和前轮的转动，或降低和提升侧窗。
检查这些运动间隙的一种有效方法是，通过沿运动轨迹扫掠零件的几何图形，并根据车辆几何图形检查该包络，从而为运动零件创建包络模型（见[3]）。这种方法的一个重要应用是车轮包络（见图4.8），它代表所有与所讨论的车辆一起使用的车轮和轮胎的最大几何膨胀。车轮包络线的计算必须考虑以下参数：
悬架运动学允许的最大跳动和反弹。
转向运动学允许的最大转弯和倾斜
根据纵向、横向和侧向力，轮胎的最大弹性变形
雪地时候雪链最大高度（如用雪链）
最大和最小轮胎气压
轮胎磨损情况
然后检查此外壳与轮罩和部件（如制动软管、ABS传感器电缆或手制动波顿电缆）之间的间隙。但前轮包络线的特殊相关性源于它在确定概念车几何结构方面的作用：在概念阶段，前轮包络受限于发动机摇篮的最大外部极限，并由此确定发动机的宽度和发动机的摇臂梁-车辆的总宽度（详细见3.1.1）。
当然这种准动态包络方法不可能对复杂的运动学进行几何评估，例如对可伸缩包络的运动学评估。它需要先进的多体仿真系统，分析通过关节函数连接在一起的零件的运动学，约束它们的相对运动[5]。
4.4
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虚拟构建阶段
Virtual Build Groups
与“常规”的连续车辆开发平行，项目里程碑要求在特定时间点验证整车的状态。虽然这以前是通过硬件原型构建组来完成的，但现在通过虚拟构建组来创建车辆成熟度的状态。虚拟构建阶段可以分为三个主要阶段：
规划阶段，虚拟电子样车规划阶段必须明确哪些严重需要达成，根据期望的结果然后由构建组规范指定所需的虚拟车。通常，构建组的虚拟车是现有虚拟车的副本 。
设计阶段，基于装配环境的设计或建模，虚拟汽车团队反复检查虚拟电子样车的几何遵从性（几何集成）。几何问题被评估并输入到问题管理过程中（见第6.2）监测其状态。在设计阶段结束时，CAD和CAE数据100%一致：完整、正确、无冲突。虚拟电子样车是几何释放和准备测试。
评估阶段，使用适当的仿真工具和方法对虚拟车辆的功能集成和生产集成测试功能和可构建性。最后，将虚拟构建阶段的发现报告给管理层以正式验证项目状态。
虚拟构建阶段的前两个阶段同时也是持续进行，以确保在订购样件和工装摸具之前，硬件原型的CAD数据成熟度。
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