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汽车CAE技术的新进展——虚拟试验场(VPG)技术

CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，

所以CAE技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。美国工程技术合作公司（ETA公司）

推出的虚拟试验场技术（VIRTUALPROVINGGROUND，以下简称VPG技术）即是针对

上述要求发展的实用软件。

一、概述

现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构分析已不满足于结构线性弹性分

析。实际上汽车结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室橡胶支承、悬挂大变

形、零部件间连接的能量缓冲等。在产品要求精益设计的条件下，只应用线性分析普遍感到

不足。产品开发要求CAE更多地考虑非线性影响。其次，汽车零部件结构分析的一个难点是

分析载荷的不定因素，大量零部件结构实际所受到的载荷到底是多大，往往很难明确给出。

对此过去往往应用对比分析法，但这越来越不适应越来越高的设计要求。第三，汽车产品设

计已进入有限寿命设计阶段，这要求汽车在设计的使用期内，整车和零部件完好，不产生疲

劳破坏，而达到使用期后（例如轿车一般设计寿命为八年），零部件尽可能多地达到损伤，以

求产品轻量化，节约材料和节省能源。这也对CAE分析提出了使用真实载荷的要求。汽车整

车性能，如舒适性、行驶操纵稳定性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变

形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标。

CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，

所以CAE技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。美国工程技术合作公司（ETA公司）

推出的虚拟试验场技术（VIRTUALPROVINGGROUND，以下简称VPG技术）即是针对

上述要求发展的实用软件。

二、VPG技术

VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。

1．分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车身FEM模型、悬挂系（弹簧、减振器、

动力控制臂）、转向梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。这样，车身和悬挂系统与转向系

统间难以明确的作用力关系已包含在分析模型之内。如图1所示。

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图1整车的分析模型

2．分析模型数据库化。众所周知，计算模型建模工作量是很大的。但是，除车身模型是

车型分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎是完全可以实现数据库化的。这是

因为，这些结构对轿车来说，结构形式基本可以归纳成几种基本类型和数量有限的几个参数

来描述。用户只需选择结构类型，给出参数即可产生计算模型。当然用户自行建立模型也是

完全可以的。同时软件数据库可以增加用户模型数据，随着用户应用面的增多，数据库会更

加丰富。当前悬挂数据库保存有McPherson液压减振器Strut、长短臂Short-longArm、Hotchkiss

渐变叶片弹簧(LeafSpring)、后拖臂TrailingArm、五连杆5-link、四QuadraLink和扭杆

TwistBeam等十种结构数据库。另外，VPG还提供对Adams接口，导入兼容的Adams悬架

模型。

图2轮胎数字化模型

图3路面数字化模型

轮胎模型分为用于车身疲劳和寿命分析的轮胎模型；用于评价振动噪声NVH研究中应用

的轮胎模型和用于动力学分析的轮胎模型三种类性。疲劳分析轮胎模型，可以由内部函数构

造产生、也可以从轮胎数据库中直接选择模型，许可用户直