从虚拟到虚实融合 从几何建模到物理建模 升级后的仿真技术如何赋能汽车研发

“你知道现在一款新车的研发周期多长吗？”在前不久举行的一个行业会议上，南京越博动力系统股份有限公司新能源汽车研究院副院长兼仿真与控制研究所所长李麟问了《中国汽车报》记者这样一个问题。

记者曾听多家整车企业的研发人员对此进行介绍，于是脱口而出：“大约36个月。”李麟说：“很多年前确实如此，现在借助仿真技术，车企的研发周期大幅缩短，研发成本也大幅下降。”

仿真技术如此厉害，让记者重新开始关注这个领域，借参加会议的机会询问整车企业的研发人员。上海汇众汽车制造有限公司CAE中心主任盛云告诉记者，运用仿真技术后，研发时间大约可以缩短1/3，需要试制的零部件减少，成本也得以大幅降低。

仿真技术应用走入新阶段

最近一段时间，汽车圈有一个很火的名词“数字孪生”。记者了解到，其真正的意思是高度逼真的数字虚拟仿真技术。中国工程院院士、浙江大学教授谭建荣说：“科学界一直重视仿真研究，与几年前相比，今天的仿真有了很大的不同，大量的虚拟技术应用在仿真中，模拟现实场景，大幅提高了仿真的精度与效率。”

谭建荣进一步指出，仿真技术不再满足于场景模拟，虚拟现实/增强现实全方位地为人的感官提供信息，并全方位接收人发出的信息。最大效率地进行人机交互，使仿真技术成为一项高级的人机界面技术。

据介绍，随着科技的发展，仿真技术已从以往的数值仿真发展到图形仿真阶段，通过科学计算可视化，将抽象的数值仿真结果转化为图像图形，利用其直观性与形象性对数字仿真产生的数据及计算结果进行可视表达，使设计人员能够更为高效地解释与处理分析结果。

仿真技术从以往的虚拟仿真发展到虚拟与现实融合在一起，通过将虚拟对象融合到现实环境中，增强用户对现实环境的理解与操作，有效减轻复杂虚拟环境构造的负担，提高用户对数字样机的感知真实性。

同时，仿真技术已从几何建模发展到物理建模的阶段。几何建模主要是通过构建形状结构、尺寸、外观等几何属性，解决几何设计问题；物理建模是构建运动学、动力学的物理属性与产品相同或相近的数字样机的物理模型，解决数字样机在各种工况下运动、受力等物理仿真问题。

谭建荣说：“仿真技术从阶段性设计性能模拟发展到产品的全生命周期，有几个主要的特点，可视性、可验证性、可使用性和感知性。”

仿真技术已获得行业认可，未来的发展趋势如何？谭建荣认为，软硬件平台的标准化和开放化，有利于企业降低开发或部署成本，避免虚拟现实产品碎片化。虚拟现实市场规模超千亿美元，经过快速增长和激烈竞争形成了完整的生态系统，大型公司参与其中，小型公司也有机会。

记者了解到，虚拟现实不仅在工业领域广泛应用，现在还逐步走向消费市场，并形成巨大的需求，2020年超过377亿美元。谭建荣说：“随着在消费市场普及，当前以硬件浓缩为主的情况会有所改变，软件和服务的收入将超过硬件。”

应用领域逐渐拓展多元

汽车行业普遍对新技术比较敏感，应用仿真技术早已不是什么新鲜事。那么，使用仿真技术以后，生产效率提升了多少？成本了节约多少？盛云告诉记者，以前汽车企业开发一款新底盘要好几个月的时间，使用仿真技术后，开发周期缩短1/3。

汽车企业一般的开发流程是先仿真计算，然后用样品去验证，再把测试中发现的问题用以修正仿真模型。应用仿真技术以后，需要的样品大约两三个就够了；如果没有运用仿真技术，按照传统的做法，大约需要8～10个样品。

盛云给记者举了一个关于如何解决疲劳试验样本之间不一致问题的例子。盛云的团队曾遇到仿真失效位置、循环次数与试验不对应，疲劳试验的结果离散性较大的挑战。他们把试验结果返回仿真模型中进一步寻找原因，比如，将冲压仿真的板厚减薄映射到疲劳仿真模型中，关键区域疲劳寿命显著下降，缩小了与试验结果的差异。盛云告诉记者，通过仿真技术探寻失效过程，从而找到原因，不必多次重复做试验。

随着新能源汽车的推广，仿真技术也在这一领域派上用场。动力电池的一致性关系产品的安全性、循环寿命等方面，这项研究工作是动力电池的难点之一。国联汽车动力电池研究院有限责任公司研究助理王琳舒向记者表示，动力电池的制造需要从材料优化设计层面转化为制造过程的控制管理层面，实现批量产品性能及一次性的管理和预测。动力电池设计阶段的性能评估与预测，可通过仿真的方法完成；制造阶段随机误差的预测和控制，也可通过一次性仿真的方法完成。

实现“双碳”目标成为汽车行业今后工作的重点之一，河北工业大学新能源汽车研究中心主任陈勇教授认为，运用仿真技术可以预估未来碳排放的变化，目前油耗法规、排放标准仅考虑车辆行驶期间的情况，没有考虑全生命周期的碳排放，传统动力与新能源汽车碳排放必须重新评估。

难点在于解决试验与实际的偏差

汽车企业如何运用仿真技术？以前记者只是耳闻，在一次偶然的机会下，亲眼见证了越博动力的研发人员如何采用仿真技术设计智能汽车的动力传输系统。

李麟告诉记者，仅有仿真技术软件不够，还需要大量的硬件系统。他带记者参观了HIL仿真测试平台、整车系统匹配优化平台、整车开发测试工具链。李麟介绍说：“这三款仿真设备分别针对整车控制器、电机控制器、自动变速器。”

仿真技术运用的难点是什么？李麟指出：“影响车辆平稳运行的现实原因很难全方面被考虑到，导致试验与实际情况产生偏差，需要通过多次调试，才能发现并解决问题。”

为此，越博动力依托整车控制系统开发工具链，建立了V字形开发流程，左边最上方处明确开发目标，朝下细分大目标，再细分领域目标，从最低处的拐点开始，针对左边各点目标进行模型搭建，并且反复测试，最终达到开发目标的要求。

记者在研发人员的电脑屏幕上看到，一辆重型卡车沿着道路前进，旁边的屏幕上不断刷新出数据。李麟解释说，越博动力建立了不同工况的模型，验证车辆能否在既定的参数下稳定运行。“你刚才看到的就是在Carsim中搭建整车模型，搭建虚拟路径，采用智能网联技术，结合自主开发的VCU、TCU及MCU，形成闭环控制系统，进行相关技术的开发与研究。”

仿真技术让我们不必做出真车就能看到车辆运行状况，从而针对运行过程中出现的问题加以改进，助力汽车企业缩短研发时间，降低成本。