汽车行业虚拟试验仿真验证应用现状研究

摘要：汽车行业竞争逐渐加剧，新产品迭代周期也持续缩短，而传统测试验证方法因其效率低下等问题，逐渐成为制约产品更新速度的瓶颈。虚拟仿真验证技术凭借其高效性与灵活性，成为破解这一瓶颈的关键手段。本文聚焦虚拟仿真验证技术在汽车研发试验环节的应用实践，系统分析了不同试验场景下虚拟仿真验证的应用现状与技术路径，进而探讨了该技术的未来发展趋势与优化方向。

关键词：汽车；虚拟试验；仿真

前言

当前，汽车行业正经历前所未有的变革与挑战。消费者对汽车品质、性能及智能化等方面的要求日益提升，各大厂商纷纷加快产品迭代速度，力求以更短周期推出契合市场需求的新车型。然而，传统道路试验环节因需耗费大量时间进行复杂路况、不同气候条件及长期耐久性等多方面测试，已无法满足汽车产品快速迭代需求[1]。

在此背景下，虚拟仿真技术应运而生，并在汽车研发设计领域扮演着日益重要的角色。借助先进的计算机技术与专业软件，虚拟仿真技术能高度还原并精确模拟汽车道路试验过程。由此，汽车研发工程师能在虚拟环境中提前验证和优化设计方案，及时识别并解决潜在问题。这不仅有效缩短了研发周期，更大幅降低了路试带来的高昂成本，为企业在行业激烈竞争中提供了强大支撑。

1 整车试验分类

整车试验验证是汽车研发流程中至关重要的一个环节，其根本目的是在整车产品投入大规模生产和正式上市前，尽可能全面地发现并解决车辆存在的各种问题，确保最终量产车能够满足设计目标、法规要求和市场竞争需求。整车试验验证类型主要可分为性能试验、可靠性试验、环境适应性试验、碰撞试验、NVH试验及ADAS试验等。性能试验主要用于评估车辆在实际道路行驶中的各项性能指标。可靠性试验主要为了测试车辆在不同工况下的可靠性和耐久性。环境适应性试验主要用于评估车辆在各种极端环境下的性能表现。碰撞试验主要用于评估汽车发生碰撞时对车内外人员及物体的防护性能。NVH试验主要用于评估整车在不同工况下行驶过程中的NVH性能。ADAS试验主要为了验证不同工况条件下整车的高级驾驶辅助系统的性能和功能。

2整车虚拟试验仿真验证现状

虚拟仿真技术在工程领域已发展数十年，当前已形成覆盖多物理学科和专业领域的精细化仿真工具集，如结构强度分析的ANSYS、Abaqus，流体动力学模拟的Star-CCM+、Fluent，多体动力学软件ADAMS、Simpack，及车辆动力学软件Carsim、CarMaker等。在整车研发设计阶段，这些工具已深度融入全流程，可通过单一工具或多学科工具联仿还原整车试验过程。

2.1性能试验

虚拟仿真验证技术在汽车行业性能试验领域应用相对成熟，已形成体系化的仿真验证方案[2]。主要应用的仿真工具包括Matlab/Simulink、Carsim、Adams、AMESim、AVL-CRUISE等。Simulink凭借其多域建模、可视化仿真、支持模型基于设计等特性，可快速构建车辆动力学模型，支持控制系统开发与验证。Carsim是专业的汽车动力学仿真软件，采用参数化建模方式，界面简单易懂容易上手，且计算效率较快。Adams可对虛拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。AMESim以多物理场耦合仿真见长，擅长解决液压、气动、热管理和机电控制等复杂系统动力学问题。AVL-CRUISE专注于整车级动力经济性仿真，以传动系统匹配和能耗分析为核心。

2.2可靠性试验

整车可靠性试验仿真验证多聚焦于结构件疲劳耐久的仿真分析[1]。其核心内容主要包括：1、通过高精度三维扫描试验场道路，构建CRG格式的虚拟路面；2、对轮胎进行多项测试获取轮胎物理和几何特征参数，构建虚拟轮胎仿真模型；3、构建由车身各硬点及底盘与车身连接点组成的整车多体动力学仿真模型，多采用Adams工具进行整车模型建设。模型建设完成后通过Adams工具导入CRG路面模型及FTire轮胎模型进行仿真提取各类路面下的载荷谱。随后将载荷谱导入至nCode、FEMFAT等工具进行疲劳耐久分析。当前可靠性试验仿真验证工具链较为成熟，在汽车行业也得到了较为广泛的应用。

2.3环境适应性试验

环境适应性试验仿真验证的要点是模拟不同温度、湿度、日照、强风及盐雾等复合环境条件对整车性能的影响。因为其需要覆盖多维度环境因素、多系统交互响应、多尺度物理过程，并需兼顾极端性、动态性和全生命周期特性，目前整车级环境适应性试验仿真场景应用较少，多聚焦于使用Carsim等工具进行不同附着系数路面下的性能仿真验证，以及使用AMESim、AVL-CRUISE进行不同温度下的动力经济性仿真验证。

2.4碰撞试验

碰撞试验是最直观检测汽车安全问题的检测方法，但实车碰撞试验耗资巨大且结果不稳定，因此碰撞虚拟仿真测试成为研发试验验证的重要测试方法，其核心是需要模拟不同结构及材料的汽车结构碰撞过程中接触产生的形变[3]。碰撞试验仿真主要应用有限元仿真方法，前处理软件多采用HyperMesh、Workbench等软件对汽车结构进行网格划分，随后导入LS-DYNA、Abaqus等软件进行碰撞过程虚拟仿真。

2.5NVH试验

NVH仿真验证的目的是模拟车辆在不同工况条件下的噪声与振动特性，需融合融合结构动力学、声学传播及多学科耦合技术。NVH仿真分析工具根据验证的方向不同而有一定区别，但主要用的软件包括前处理HyperMesh、结构振动Nastran、声学噪音Virtual Lab等。

2.6ADAS试验

ADAS及自动驾驶技术是当前行业研究重点，其验证的重点评估ADAS及自动驾驶相关算法在不同路况尤其是极端工况下的性能表现，实车测试安全风险高且场景覆盖不全，因此仿真测试是该领域不可或缺的验证方法[4]。CarMaker、Carsim、VTD、CARLA是其中主要应用仿真工具，可实现车型配置、交通场景、路面条件等参数配置，模拟不同条件下的车辆行驶情况，同时可提供丰富的API接口与PreScan、dSPACE等其他软件进行联仿验证。PreScan可提供详细的传感器模拟数据，用于更好的验证算法可靠性，与dSPACE联仿可实现HIL仿真测试。

3结语

虚拟仿真测试技术在汽车研发设计验证领域已成为不可或缺的一环，有效缩短了整车研发设计周期并降低了测试验证成本。但是部分试验受限于多学科耦合机理影响因素不明，只能简化部分机理进行仿真验证，虽然损失了部分精度但仍可作为设计验证的参考依据。相信随着机器学习、人工智能等新技术的发展，仿真软件也将快速迭代升级可在整车研发设计试验验证领域得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1] 廖晖,刘明卓.虚拟试验场技术在整车结构耐久性能测试中的应用[J].北京汽车,2023,(04):39-43.DOI:10.14175/j.issn.1002-4581.2023.04.009.

[2] 闫瑞雷.十四自由度车辆动力学模型仿真分析[D].湖南大学,2014.

[3] 孙伟.某SUV正面碰撞安全性能研究[D].大连交通大学,2021.DOI:10.26990/d.cnki.gsltc.2021.000117.

[4] 张坤鹏,常成,王世璞,等.自动驾驶汽车仿真器综述:能力、挑战和发展方向[J].交通运输工程与信息学报,2024,22(01):1-24.DOI:10.19961/j.cnki.1672-4747.2023.04.007.