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Usando herramientas de simulación para predecir y optimizar el comportamiento dinámico del vehículo
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En la industria automotriz moderna, las herramientas de simulación se han convertido en indispensables para predecir y optimizar el comportamiento dinámico de los vehículos. Estas sofisticadas plataformas de software permiten a los ingenieros analizar, probar y perfeccionar las características de rendimiento de los vehículos en entornos virtuales antes de comprometerse a prototipos físicos caros. Las herramientas de simulación juegan un papel crucial en el desarrollo de software de vehículos proporcionando un entorno seguro, escalable y rentable para probar y refinar los algoritmos.
El papel crítico de la simulación en el desarrollo de vehículos modernos
El paisaje de desarrollo automotriz ha sufrido una transformación dramática en los últimos años. Los programas automotriz de hoy enfrentan desafíos sin precedentes, incluyendo ciclos de desarrollo más cortos con creciente presión para que los productos se comercializaciónen más rápido, creciente complejidad de los vehículos electrificados, ADAS y definidos por software, añadiendo nuevas capas de integración, y menos prototipos debido a la escalada de costos que exigen una validación más y menos construcciones físicas.
Con veinte años de validación del mundo real por ingenieros automotriz, las herramientas modernas de simulación son universalmente preferidas para analizar la dinámica del vehículo, desarrollar controladores activos, calcular las características de rendimiento y ingeniería de sistemas de seguridad activos de próxima generación, ofreciendo un conjunto intuitivo de herramientas que permiten a los ingenieros evaluar eficientemente vehículos completos, subsistemas y controladores activos dentro de escenarios de conducción complejos y simulados.
Beneficios integrales de la simulación de dinámica de vehículos
Ciclos de desarrollo acelerados y reducción de costos
Una de las ventajas más importantes de las herramientas de simulación es su capacidad para acelerar drásticamente el proceso de desarrollo de vehículos. Un modelo único de dinámica de vehículos en tiempo real que soporta MiL, SiL, HiL y DiL para la integración conceptual-a-signación puede reducir el tiempo-a-mercado validando antes y más rápido al reducir costos minimizando la dependencia de prototipos.
Con simulación de dinámicas multicuerpos, los ingenieros pueden tomar decisiones informadas para cambios de diseño rápido y subsistemas de estudio y sistemas completos, reducir el número de prototipos, evitar costosos cambios de última hora y acelerar el tiempo a mercado. Esta capacidad es particularmente valiosa en el mercado automotriz competitivo de hoy, donde ser primero en comercializar con características innovadoras puede proporcionar ventajas comerciales significativas.
Mejoramiento de la predicción y optimización del rendimiento
Las herramientas de simulación proporcionan a los ingenieros información detallada sobre el comportamiento de los vehículos en una amplia gama de condiciones de funcionamiento y escenarios. Los ingenieros pueden equilibrar las características de rendimiento conflictivas como comodidad y manejo, pero también estabilidad, agilidad, drivabilidad y economía de combustible. Esta capacidad de análisis integral permite la optimización de los parámetros de los vehículos que serían extremadamente difíciles o imposibles de lograr mediante pruebas físicas.
Los ingenieros pueden evaluar el rendimiento de algoritmos de control de chasis y caracterizar el rendimiento del viaje y manejo del vehículo durante maniobras de conducción, incluyendo cambios de doble carril y pruebas de frenado de tráfico. La capacidad de simular escenarios extremos o peligrosos es particularmente valiosa para desarrollar sistemas de seguridad avanzados y validar el comportamiento del vehículo en condiciones que serían demasiado arriesgados o costosos para replicar en pruebas físicas.
Identificación de problemas iniciales y mitigación de riesgos
Identificar fallas de diseño a principios del proceso de desarrollo es crucial para evitar correcciones costosas más adelante. La simulación de productos mecánicos en diferentes escenarios ayuda a identificar posibles riesgos y riesgos de seguridad, y con simulación multicuerpo, los ingenieros pueden diseñar características de seguridad y mecanismos para mitigar estos riesgos, jugando un papel clave en la reducción del costo del desarrollo ya que ayuda a los desarrolladores de productos a identificar y corregir el diseño defectuoso.
El software de dinámica multicuerpo proporciona respuestas antes de que ocurran problemas y mediante la creación de una alta fidelidad Virtual Twin, los ingenieros pueden predecir problemas potenciales a principios del proceso de diseño – desde el análisis modal, el fallo de rodamiento y el descomunicación de crankshaft hasta el análisis NVH. Esta capacidad predictiva es inestimable para garantizar que los vehículos cumplan con objetivos de rendimiento, seguridad y durabilidad antes de la producción.
Mejor colaboración y intercambio de conocimientos
Las herramientas de simulación mejoran la colaboración entre equipos y proveedores globales, permitiendo vehículos más seguros, inteligentes y más eficientes a través de la toma de decisiones impulsada por datos. En la industria automotriz globalizada actual, los equipos de desarrollo se distribuyen a menudo en múltiples ubicaciones y zonas horarias. Los modelos de simulación proporcionan un lenguaje común y un punto de referencia que facilita la comunicación y la colaboración entre diversas disciplinas de ingeniería y unidades organizativas.
Tipos de herramientas de simulación para la dinámica del vehículo
La industria automotriz emplea una variedad de herramientas de simulación, cada una diseñada para abordar aspectos específicos de la dinámica y el rendimiento del vehículo. Entender las capacidades y aplicaciones de diferentes enfoques de simulación es esencial para seleccionar las herramientas adecuadas para retos específicos de ingeniería.
Multibody Dynamics Simulation Software
La dinámica multicuerpo (MBD) es un subconjunto de simulación numérica que modela el comportamiento dinámico de sistemas mecánicos consistentes en piezas interconectadas, contando con el impulso, el contacto y la aceleración. Este enfoque de simulación es fundamental para el análisis de dinámicas de vehículos, ya que permite a los ingenieros modelar las complejas interacciones entre componentes del vehículo, como sistemas de suspensión, mecanismos de dirección y estructuras de chasis.
Los ingenieros automotrices fueron uno de los primeros en utilizar el enfoque de simulación multicuerpo, y las suspensiones automotrices, con complejas conexiones que contienen manantiales y amortiguadores diseñados para absorber y suavizar las cargas dinámicas de conducción en carreteras rugosas, son ideales para la dinámica multicuerpo, con este tipo de simulación convirtiéndose en parte esencial de los estudios de ruido automotriz, vibración y durecimiento (NVH) para ofrecer una experiencia placentera.
Actualmente, las computaciones de simulación son parte integral del diseño de vehículos, tanto coches de pasajeros como camiones de todas las categorías, con estos análisis de simulación basados en la creación de un modelo multicuerpo en algún software comercial, y un modelo multicuerpo puede ser de complejidad variable dependiendo de las exigencias de los usuarios, consistente en cuerpos rígidos o eventualmente deformables interconectados por elementos sin masa.
Las plataformas de dinámicas de varios cuerpos principales incluyen soluciones de empresas como ‹a href="https://www.carsim.com/" target=" blank" rel="noopener"ConsejoMechanical Simulation Corporation detectado/a título, Siemens, Dassault Systèmes y Hexagon. CarSim, TruckSim y BikeSim son productos de tecnología de vehículos que evolucionan y son una predicción más efectivas
Herramientas de análisis de elementos finitos (FEA)
El análisis de elementos finitos representa otra categoría crítica de herramientas de simulación utilizadas ampliamente en aplicaciones de dinámica de vehículos. Mientras que la dinámica multicuerpo se centra en el movimiento e interacción de cuerpos rígidos o semirígidos, FEA se destaca en analizar el comportamiento detallado del estrés, la tensión y la deformación de componentes y estructuras individuales. En aplicaciones de dinámicas de vehículos, FEA es particularmente valiosa para analizar la rigidez de la chasis, la durabilidad de los componentes de suspensión, y la integridad estructural.
La rigidez de la estructura corporal de un automóvil tiene una fuerte relación con sus características de ruido, vibración y dureza (NVH), y el efecto de la rigidez de la estructura corporal sobre la calidad del paseo se discute con dinámicas flexibles de varios cuerpos, donde la deformación elástica local del vehículo se ha descrito tradicionalmente con funciones de forma modal. La integración de FEA con simulación de dinámicas multicuerpos permite a los ingenieros dar cuenta de modelos de flexibilidad estructural más precisa en sus dinámicas de comportamiento.
Los flujos de trabajo modernos de simulación a menudo combinan FEA con dinámicas multicuerpos para crear modelos integrales que capturan las características del movimiento bruto y las respuestas estructurales detalladas de los sistemas de vehículos. Este enfoque integrado es esencial para abordar fenómenos complejos como los efectos de flexibilidad de chasis en el manejo, la fatiga del componente de suspensión y la transmisión del ruido por estructura.
Programas de Dinámica Fluida Computacional (CFD)
La dinámica de fluidos computacional juega un papel cada vez más importante en la simulación de dinámicas de vehículos, especialmente para analizar las fuerzas aerodinámicas y sus efectos en la estabilidad y el rendimiento de los vehículos. Las herramientas de CFD permiten a los ingenieros predecir cómo fluye el aire alrededor y a través del vehículo, calculando las fuerzas de arrastre, las fuerzas de elevación y los momentos aerodinámicos que influyen significativamente en el manejo de alta velocidad y eficiencia del combustible.
La integración de CFD con simulación de dinámicas de vehículos es particularmente importante para vehículos de alto rendimiento, camiones comerciales y vehículos diseñados para operaciones de alta velocidad. Las fuerzas aerodinámicas pueden tener efectos sustanciales en la estabilidad del vehículo, la respuesta de dirección y el rendimiento de frenado, especialmente a velocidades de carretera. Al acoplar el análisis CFD con modelos de dinámicas multicuente, los ingenieros pueden predecir cómo las cargas aerodinámicas influyen en el comportamiento del vehículo bajo condiciones realistas de conducción.
Las plataformas avanzadas de simulación ahora soportan enfoques de co-simulación que permiten el acoplamiento en tiempo real entre los solvers de CFD y los modelos de dinámica de vehículos. MBDyn simula el comportamiento de sistemas mecánicos heterogéneos, aeroservoelásticos basados en ecuaciones de principios iniciales, y se pueden acoplar fácilmente a los solvers externos para la co-simulación de problemas multifísicos, incluyendo Computacional Fluidos (CFD), terraneosico
Plataformas de dinámica de vehículos integrados
El desarrollo moderno de vehículos depende cada vez más de plataformas integradas de simulación que combinan múltiples capacidades de análisis dentro de un entorno unificado. El Blockset de vehículos ofrece aplicaciones de referencia dinámicas automotrices premontadas para automóviles de pasajeros, camiones y dos ruedas, incluyendo una biblioteca de componentes para propulsión, dirección, suspensión, cuerpo de vehículos, frenos, neumáticos y modelos de conductor, así como los controladores de componentes y supervisión.
Simcenter ofrece un enfoque integrado para el desarrollo de un vehículo y sus componentes de chasis que abordan la naturaleza multidisciplinaria de todos estos sistemas mecatrónicos gracias a la integración y la integración sin costuras con los modelos de controlador, con el enfoque de simulación de sistema que permite a los ingenieros tomar decisiones de diseño para componentes de chasis y sus diseños y proporcionar soluciones escalables a lo largo del proceso de diseño y validación, desde el modelo en el circuito (L)
ASM Vehicle Dynamics es un modelo abierto de Simulink para la simulación en tiempo real del comportamiento de la dinámica del vehículo, utilizado típicamente en un dSPACE Simulator/SCALEXIO para realizar pruebas de hardware en las plataformas en unidades de control electrónico (ECUs) o durante la fase de diseño de algoritmos de controlador para la validación temprana mediante simulación offline. La capacidad de utilizar los mismos modelos de simulación durante el proceso de desarrollo, desde versiones tempranas de trazo
Aplicaciones clave en la optimización de la dinámica del vehículo
Diseño y Tuning de sistema de suspensión
Los sistemas de suspensión representan una de las áreas más críticas donde las herramientas de simulación proporcionan un valor sustancial. Para mantener el manejo de un coche suave, el sistema de suspensión se basa en el esfuerzo concertado de varios amortiguadores y estabilizadores, y la simulación de dinámica multicuerpo puede modelar todas las partes interrelacionadas de un sistema de suspensión para optimizar el rendimiento. La complejidad de los sistemas de suspensión modernos, con sus numerosos componentes y relaciones cinemáticas intrincadas, hace que la simulación una herramienta esencial para su comprensión y optimización.
Un método para diseñar y ajustar las suspensiones de forma rápida y eficaz con la ayuda de la simulación de dinámicas de vehículos se basa en los modelos de simulación automotriz (ASM), que se han ampliado para este caso de uso, con los ingenieros de diseño ASMs que apoyan a través de todas las fases, desde la creación de un prototipo virtual hasta la puesta en marcha de la fase de prueba.
Las herramientas de simulación permiten analizar detalladamente las características de suspensión y cumplimiento, que son determinantes críticos del comportamiento de manejo de vehículos. Los ingenieros pueden analizar la respuesta de la suspensión utilizando datos de prueba Kinematics & Compliance (K Pulamp;C) o un modelo detallado de simulacro multibody. Esta capacidad permite a los ingenieros predecir cómo los cambios de geometría de suspensión afectan la alineación de ruedas, el comportamiento de contacto de neumáticos y, y en última instancia.
Modelado y caracterización de neumáticos
Los neumáticos representan la interfaz crítica entre el vehículo y la superficie de la carretera, y el modelado preciso de neumáticos es esencial para la simulación realista de la dinámica del vehículo. Los ingenieros deben representar con precisión el comportamiento del neumático durante todo el proceso de diseño del vehículo. Los modelos de neumáticos deben captar las complejas relaciones entre las fuerzas del neumático y los momentos, las cargas de rueda, los ángulos de deslizamiento, las relaciones de deslizamiento y las carreteras.
Las plataformas modernas de simulación incorporan modelos de neumáticos sofisticados que representan diversos fenómenos, incluyendo la generación de fuerza lateral y longitudinal, el comportamiento combinado de deslizamiento, sensibilidad de carga y efectos de temperatura. Estos modelos se basan típicamente en datos empíricos de pruebas de neumáticos, formulaciones matemáticas como la Fórmula Mágica, o modelos físicos que representan la estructura de neumáticos y propiedades de goma.
La precisión de los modelos de neumáticos tiene un impacto profundo en la fidelidad de las simulaciones de dinámicas de vehículos. Los ingenieros deben validar cuidadosamente los modelos de neumáticos contra los datos de prueba para asegurar que las predicciones de simulación reflejen con precisión el comportamiento del vehículo en el mundo real. Este proceso de validación implica típicamente comparar las respuestas de vehículos simulados y medidos para maniobras estándar como la esquina estable, entradas de los pasos y pruebas de frenado.
Dinámica e integración de Powertrain
La simulación de dinámicas multicuerpos puede utilizarse para mejorar el diseño y comportamiento de componentes de potencia, como el motor, la transmisión y el motor, para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la durabilidad. La dinámica de potencia influye significativamente en el comportamiento del vehículo, afectando el rendimiento de aceleración, la drivabilidad y en algunos casos, manipulando características a través de efectos como el remolque y la transferencia de carga.
Optimizar el NVH y la durabilidad de los sistemas de transmisión de energía requiere una comprensión precisa de su comportamiento dinámico, con ingenieros habilitantes EXCITE M para modelar, simular y analizar las complejas dinámicas de los componentes de potencia con precisión excepcional, manejando el comportamiento real de cuerpos flexibles que se mueven, deforman e interactúan con contactos como engranajes y rodamientos de rodillos o contactos lubricados, como rodamientos de película de aceite y cada vez más interacción con modelos eléctricos.
La integración de la simulación de potencia con modelos de dinámica de vehículos permite a los ingenieros analizar fenómenos como vibraciones de transmisión, dinámica de compromiso de embrague y los efectos de los sistemas de montaje de potenciación de vehículos en las características del vehículo NVH. Estos análisis integrados son esenciales para ofrecer vehículos que cumplan las expectativas de los clientes para el refinamiento y la calidad de conducción.
Análisis de ruido, vibración y daños (NVH)
Controlar los niveles de ruido, vibración y dureza (NVH) dentro de un vehículo es crítico para la comodidad del pasajero y la experiencia general, y mediante la simulación de dinámicas multicuerpos, los ingenieros de automoción pueden identificar las fuentes de vibración y sonido emitiendo desde todas las partes de un coche y determinar las mejores maneras de abordarlos. Las características de NVH son uno de los factores más importantes que influyen en la percepción del cliente de la calidad del vehículo, haciendo de optimización NVH.
Las herramientas de simulación permiten a los ingenieros predecir el comportamiento de NVH a principios del proceso de desarrollo, cuando los cambios de diseño son relativamente económicos para implementar. Al analizar las rutas de transmisión para el ruido de la estructura y el aire, los ingenieros pueden identificar oportunidades para reducir el ruido y la vibración mediante modificaciones al diseño de componentes, la selección de materiales o sistemas de montaje. Este enfoque proactivo para la gestión de NVH es mucho más eficaz que intentar abordar los problemas de desarrollo tardío.
La transición a vehículos eléctricos ha hecho que el análisis de NVH sea aún más crítico, ya que la ausencia de ruido de motor hace que otras fuentes de ruido sean más notables para los ocupantes. La eliminación del efecto de enmascaramiento causado por el motor de combustión y la tendencia hacia los e-axles de alta velocidad hacen que el tema de NVH sea un aspecto central en el desarrollo de vehículos.
Desarrollo del sistema de control de chasis
Los vehículos modernos incorporan cada vez más sistemas activos de control de chasis, como el control electrónico de estabilidad, la suspensión activa, el vectorismo de pares y sistemas avanzados de asistencia de conductores.La creciente integración de controles activos, junto con el uso de sistemas de chasis electrificados, hace que las actividades de ingeniería sean aún más complejas, con Simcenter proporcionando un enfoque integrado para desarrollar un vehículo y sus componentes de chasis que aborden la naturaleza multidisciplinaria de todos estos sistemas de control mecatrónicos.
CarSim incluye controladores integrados para el comportamiento del conductor imitador incluyendo el camino siguiente, control de velocidad y aceleración, cambio de marcha y control mecánico del embrague, y admite Software-en-el-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a
El desarrollo de sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y capacidades de conducción autónomas ha aumentado aún más la importancia de la simulación en el desarrollo del sistema de control de chasis. En los últimos años, se han ampliado las simulaciones para incluir terrenos complicados, otros "acdores" como vehículos de tráfico, peatones, señales de tráfico y señales, y sensores incorporados que se necesitan para escenarios de simulación para sistemas automáticos de asistencia al conductor (ADAS) y vehículos autónomos imposibles (capacables).
Optimización de la manipulación del vehículo y la estabilidad
Optimizar las características de manejo y estabilidad del vehículo es un objetivo fundamental de la ingeniería de dinámica del vehículo. Las herramientas de simulación permiten a los ingenieros predecir cómo los vehículos responderán a las entradas de conductor y perturbaciones externas en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Al analizar el comportamiento del vehículo en maniobras simuladas como la esquina estable, pruebas de manejo transitorio y condiciones límite de estabilidad, los ingenieros pueden identificar oportunidades para mejorar el equilibrio de manejo, la capacidad y los márgenos.
Los ingenieros pueden acelerar el diseño de componentes y subsistemas de chasis robustos como dirección y frenado, amortiguadores, barras estabilizadoras de rollos activas y cualquier sistema mecatrónico relacionado con chasis, con una plataforma de modelado multidisciplinar escalable y sus plantillas fuera de la plataforma que ayudan a evaluar los riesgos tecnológicos que resultan de la electrificación de chasis y utilizar el nivel más adecuado de detalle según las necesidades de simulación y los parámetros disponibles, con estos sistemas de aislamiento.
Las herramientas de simulación también permiten a los ingenieros explorar los cambios entre diferentes objetivos de rendimiento. Por ejemplo, los ajustes de suspensión que mejoran el confort del viaje pueden comprometer la capacidad de manejo, mientras que el manejo agresivo de la afinación puede resultar en un viaje duro. Al explorar sistemáticamente el espacio de diseño a través de la simulación, los ingenieros pueden identificar configuraciones que proporcionan el mejor equilibrio general de las características de rendimiento para la aplicación prevista y cliente objetivo.
Técnicas de simulación avanzadas y metodologías
Simulación en tiempo real y pruebas de hardware en el circuito
La simulación en tiempo real representa una capacidad crítica para el desarrollo moderno de vehículos, permitiendo pruebas de hardware en el circuito (HIL) donde las unidades de control físico interactúan con modelos de vehículos simulados. veDYNA es una herramienta de simulación de dinámica de vehículos probada y versátil basada en un modelo de vehículos de alta precisión, que es igualmente adecuado para la simulación de automóviles de pasajeros, vehículos deportivos de todo ruedas y coches de carreras Fórmula 1, con aplicaciones dinámicas de desarrollo de componentes conceptual
La simulación en tiempo real requiere modelos que pueden ejecutar lo suficientemente rápido para mantener la sincronización con tiempo real, normalmente que requieren tasas de actualización de 1000 Hz o más alta para una representación precisa de la dinámica del vehículo. Lograr estos requisitos de rendimiento a menudo requiere una optimización cuidadosa del modelo y el uso de hardware informático especializado en tiempo real. Sin embargo, los beneficios aparentes de la simulación en tiempo real pueden justificar esta complejidad adicional, ya que las pruebas HIL permiten la validación temprana de los problemas de simulación y no pueden ser identificados fuera de conexión.
Utilizando dinámicas multicuerpos en tiempo real, los clientes pueden experimentar sus productos en diferentes tipos de simuladores como simuladores de conducción. La simulación de conductores en el circuito proporciona valiosas ideas sobre las características subjetivas del vehículo y permite evaluar las interfaces de máquina humana en escenarios de conducción realistas. Esta capacidad es particularmente importante para validar sistemas avanzados de asistencia al conductor y características de conducción autónomas, donde la interacción entre el vehículo y los ocupantes humanos es crítica.
Integración de la Co-Simulación y Multi-Physics
Los vehículos modernos son sistemas mecatrónicos complejos que integran subsistemas mecánicos, eléctricos, hidráulicos y térmicos. Predecir de manera precisa el comportamiento del vehículo requiere herramientas de simulación que puedan modelar estas interacciones multifísicas. Los ingenieros pueden integrar sistemas hidráulicos, eléctricos, neumáticos y otros sistemas físicos en su modelo utilizando componentes de la familia Simscape de productos.
Los enfoques de la simulación permiten que diferentes herramientas especializadas de simulación funcionen juntas, cada manipulación de los aspectos del sistema para los que es mejor adecuado. Por ejemplo, una simulación de dinámica de vehículos puede ser unida a un modelo eléctrico detallado, una simulación de gestión térmica de baterías y un modelo de electrónica de potencia para crear una representación integral de un motor eléctrico de vehículos.
Tecnología Digital Twin
La tecnología digital gemela representa un paradigma emergente en la simulación de vehículos, donde se mantienen modelos virtuales de alta fidelidad durante todo el ciclo de vida del vehículo y se actualizan continuamente con datos de vehículos físicos. Los ingenieros pueden convertir automáticamente los diseños CAD para crear un gemelo digital del sistema. Estos gemelos digitales sirven como representaciones vivientes de vehículos físicos, permitiendo el mantenimiento predictivo, la optimización de rendimiento y la mejora continua basada en datos de funcionamiento real.
El desarrollo de gemelos digitales requiere la integración de modelos de simulación con sistemas de adquisición de datos, infraestructura de computación en la nube y herramientas de análisis. A medida que los vehículos se conectan cada vez más y generan vastas cantidades de datos operativos, los gemelos digitales proporcionan un marco para aprovechar estos datos para mejorar el rendimiento, la fiabilidad y la satisfacción del cliente del vehículo.
Optimización y exploración del espacio de diseño
Las herramientas de simulación permiten la exploración sistemática de alternativas de diseño a través de algoritmos de optimización y diseño de metodologías de experimentos. Los ingenieros utilizan sus modelos para optimizar la eficiencia del sistema, ajustar los parámetros de entrada y la geometría para aumentar la rendimiento. En lugar de depender de enfoques de intuición o ensayo y terror, los ingenieros pueden utilizar técnicas de optimización matemática para identificar diseños que mejor cumplan objetivos de rendimiento especificados mientras satisfacen las limitaciones.
Los enfoques de optimización modernos pueden manejar simultáneamente múltiples objetivos, permitiendo a los ingenieros explorar los intercambios entre objetivos de rendimiento competidores. Por ejemplo, un estudio de optimización podría tratar de minimizar la masa de vehículos manteniendo objetivos de rigidez estructural y satisfaciendo las limitaciones de embalaje. Las técnicas de optimización multiobjetiva pueden identificar la frontera de Pareto de soluciones no dominadas, proporcionando a los ingenieros una comprensión clara de los intercambios involucrados en diferentes opciones de diseño.
Las distintas etapas del desarrollo de productos plantean desafíos variados y requieren métodos de simulación adaptados, y en las primeras etapas, antes de que se fijen muchos elementos, los ingenieros deben explorar el espacio de diseño y comprender el impacto de las decisiones que toman. La exploración espacial basada en el diseño permite tomar decisiones informadas a principios del proceso de desarrollo, cuando los cambios siguen siendo relativamente económicos para implementar.
Simulación Modelo Desarrollo y Validación
Construcción y Parametrización del modelo
El desarrollo de modelos de simulación precisa requiere una atención cuidadosa a la estructura modelo, la identificación de parámetros y la validación. El Blockset de Vehículo ofrece la aplicación Virtual Composer para configurar y parametrizar modelos, así como flujos de trabajo preconstruidos para Kinematics y Compliance (K simultáneamentem;C) pruebas y modelos de calibración de datos de prueba.
Parametrización modelo implica determinar los valores numéricos de parámetros modelo como masas, inercias, rigidez y coeficientes de amortiguación. Algunos parámetros se pueden medir directamente o obtener de modelos CAD, mientras que otros deben ser identificados mediante pruebas o procedimientos de estimación. Los parámetros y tablas de CarSim son mensurables, y hay empresas de propiedad privada que pueden medir los vehículos para uso en los modelos de simulación de vehículos precisos que aseguran un comportamiento confiable.
Los ingenieros pueden importar conjuntos CAD completos, incluyendo todas las masas, inercias, articulaciones, limitaciones y geometría 3D, en su modelo, con una animación 3D generada automáticamente que les permite visualizar la dinámica del sistema. Esta capacidad para aprovechar los datos CAD directamente en modelos de simulación reduce el esfuerzo necesario para el desarrollo de modelos y ayuda a asegurar la coherencia entre los modelos de diseño y análisis.
Validación y correlación modelo
La validación de modelos suele implicar la comparación de las predicciones de simulación con mediciones de pruebas físicas, la identificación de discrepancias y los modelos de refinación para mejorar la correlación. Este proceso iterativo continúa hasta que el modelo alcance la precisión aceptable para su aplicación prevista.
Las diferentes aplicaciones requieren diferentes niveles de fidelidad modelo y rigor de validación. Los modelos utilizados para la exploración de diseño en estadio temprano pueden requerir sólo validación cualitativa, confirmando que capturan las tendencias correctas y efectos relativos de los cambios de diseño. En contraste, los modelos utilizados para validación final de rendimiento o cumplimiento regulatorio deben demostrar precisión cuantitativa, con predicciones de simulación que coinciden estrechamente con las respuestas de vehículos medidos.
Al firmar un diseño final, se requieren análisis precisos para captar el rendimiento del sistema teniendo en cuenta la fabricación y las tolerancias, y durante todo el proceso se requiere una combinación de sistemas, subsistemas y enfoques de componentes, con herramientas de simulación de dinámicas del sistema que necesitan para soportar diversas fidelidades y limitaciones modelo, como la informática en tiempo real y el vínculo con otras herramientas en el proceso.
Análisis de la cuantificación y la robusticidad
Los vehículos del mundo real presentan variabilidad debido a tolerancias de fabricación, desgaste de componentes, condiciones ambientales y otros factores. Las herramientas de simulación incorporan cada vez más técnicas de cuantificación de incertidumbre que permiten a los ingenieros evaluar cómo las variaciones de parámetro afectan el rendimiento de los vehículos. Al realizar simulaciones de Monte Carlo u otros análisis estadísticos, los ingenieros pueden predecir el rango de rendimiento que se observará en una población de vehículos e identificar diseños robustos a variaciones de parámetros.
El análisis de la robustez es particularmente importante para los sistemas críticos de seguridad, donde el rendimiento debe mantenerse en una amplia gama de condiciones de funcionamiento y en presencia de variaciones de componentes. El análisis de la robustez basado en simulación permite a los ingenieros identificar posibles modos de falla y sistemas de diseño con unos márgenes de seguridad adecuados. Este enfoque proactivo de la robustez es mucho más eficaz que descubrir problemas de sensibilidad a través de fallos de campo.
Tendencias de la industria y desarrollos futuros
Simulación de electrificación y movilidad electrónica
La transición de la industria automotriz a vehículos eléctricos presenta nuevos desafíos y oportunidades de simulación. Los cursos eléctricos tienen características dinámicas fundamentales en comparación con los motores convencionales de combustión interna, que requieren nuevos enfoques de modelado y metodologías de validación. Los motores y los sistemas de alimentación híbridos suelen funcionar en condiciones transitorias con cargas y velocidades cambiantes, y es esencial considerar los efectos dinámicos de estas condiciones al evaluar su durabilidad y sus sistemas de baterías.
Los vehículos eléctricos también presentan desafíos únicos de la dinámica del vehículo, incluyendo los efectos de la masa de batería y el embalaje en la distribución de peso, el potencial para el vectorado de par con motores de rueda independientes, y la integración de frenado regenerativo con frenos de fricción convencionales. Las herramientas de simulación permiten a los ingenieros explorar estas nuevas posibilidades de diseño y optimizar la dinámica del vehículo eléctrico para el rendimiento, eficiencia y satisfacción del cliente.
Desarrollo de vehículos autónomos
El desarrollo de vehículos autónomos depende en gran medida de la simulación para pruebas y validación. Una plataforma integral de desarrollo ADAS y AD incluye normalmente herramientas de simulación, validación y gestión de datos, con estos componentes trabajando juntos para permitir el desarrollo rápido, pruebas y despliegue de software ADAS y AD. El número virtualmente infinito de escenarios que los vehículos autónomos deben manejar hace que las pruebas físicas por sí solas sean impráticas, lo que requiere un uso amplio de simulación para la generación de escenarios, pruebas, pruebas, pruebas, validación y validación.
La simulación autonómica requiere la integración de modelos de dinámicas de vehículos con modelos de sensores, algoritmos de percepción, sistemas de toma de decisiones y representaciones ambientales detalladas. SimCreator incluye bibliotecas completas de maniobras de base, modelos de dinámica de vehículos, escenas, entornos de conducción y cientos de vehículos, animales, peatones, edificios y otros objetos estáticos. Estos entornos de simulación integrales permiten la prueba de sistemas autónomos en escenarios diversos y realistas que cubren la gama completa de las condiciones reales que los vehículos que los vehículos que los vehículos encontrarán.
Inteligencia Artificial e integración de aprendizaje de máquinas
La inteligencia artificial y el aprendizaje automático se están integrando cada vez más en los flujos de trabajo de simulación de vehículos. AI permite a los vehículos tomar decisiones en tiempo real, aprender de diversas condiciones ambientales, y mejorar a través de modelos de aprendizaje automático, mejorando así la capacidad de manejar situaciones complejas y dinámicas de carretera. Las técnicas de aprendizaje automático se pueden utilizar para desarrollar modelos de surrogancia que aproximan el comportamiento de simulaciones físicas detalladas pero ejecutan mucho más rápido, permitiendo la exploración espacial de diseño rápido y aplicaciones en tiempo real.
También se aplican técnicas de IA para automatizar aspectos del proceso de simulación, como la generación de escenarios para pruebas autonómicas de vehículos, la identificación de parámetros para la calibración de modelos y la detección de anomalías en los resultados de simulación. A medida que estas tecnologías maduran, prometen acelerar el desarrollo del vehículo y mejorar la eficiencia de los procesos de ingeniería basados en simulación.
Simulación y escalabilidad basadas en la nube
El cálculo de la nube está transformando la simulación de vehículos proporcionando recursos computacionales virtualmente ilimitados para campañas de simulación a gran escala. Las herramientas de Intuición aplicada para el Inteligencia de Vehículos se construyen para la ingestión, curación y procesamiento a escala de petabyte a través de flotas y programas de larga duración, con orquestación confiable, ejecución de costos y lineamiento reproducible manteniendo los flujos de trabajo estables a medida que aumentan la simulación de datos.
La escalabilidad proporcionada por la informática en la nube es particularmente valiosa para aplicaciones como la validación autónoma de vehículos, donde se pueden requerir millones de simulaciones para lograr una cobertura adecuada de pruebas. Las plataformas en la nube también facilitan la colaboración entre los equipos de ingeniería distribuidos y permiten el acceso a capacidades de simulación sin requerir infraestructura de computación local sustancial.
Las mejores prácticas para una simulación eficaz
Definir objetivos y requisitos claros
El uso eficaz de la simulación comienza con definir claramente los objetivos y requisitos para cada estudio de simulación. Los ingenieros deben identificar las preguntas específicas que la simulación tiene por objeto responder, las métricas de rendimiento que se utilizarán para evaluar los resultados, y el nivel de precisión requerido para la aplicación. Esta claridad de propósito ayuda a orientar las decisiones sobre la complejidad de modelos, requisitos de validación y asignación de recursos.
Las diferentes etapas del desarrollo del vehículo requieren diferentes enfoques de simulación. Los estudios de concepto de fase temprana pueden priorizar la velocidad y flexibilidad sobre la precisión absoluta, permitiendo una exploración rápida de alternativas de diseño. Los estudios de validación de fase posterior requieren modelos de fidelidad más altos y validación más rigurosa para asegurar que las predicciones de simulación reflejen con precisión el comportamiento del vehículo en el mundo real.
Mantener la calidad y la documentación del modelo
Los modelos de simulación representan una propiedad intelectual valiosa que a menudo debe mantenerse y usarse durante largos períodos. Mantener la calidad del modelo requiere atención a la documentación, el control de versiones y la gestión de configuración. Los ingenieros deben documentar hipótesis modelo, limitaciones, estado de validación y aplicaciones apropiadas para asegurar que los modelos se utilicen correctamente y que se entiendan sus limitaciones.
Todos los bloques Simulink del modelo son visibles, por lo que es fácil añadir o reemplazar componentes con modelos personalizados para adaptar las propiedades del vehículo perfectamente a proyectos individuales, con las interfaces estandarizadas de ASM que permiten que el modelo de dinámica del vehículo se expanda fácilmente para satisfacer requisitos específicos o incluso crear un vehículo virtual. Esta apertura y modularidad facilitan el mantenimiento y la personalización del modelo, pero también requieren una cuidadosa gestión para asegurar que las modificaciones estén debidamente documentadas y validadas.
Integrando la simulación con los ensayos físicos
Si bien la simulación proporciona un valor tremendo, debe considerarse como complementario a las pruebas físicas en lugar de un reemplazo completo. Los programas de desarrollo de vehículos más eficaces integran la simulación y las pruebas de forma sinérgica, utilizando simulación para orientar la planificación de las pruebas, reducir el número de pruebas físicas requeridas e interpretar los resultados de las pruebas. Las pruebas físicas siguen siendo esenciales para la validación de modelos, descubrir fenómenos inesperados y proporcionar la confirmación final de que los vehículos cumplen con los requisitos de rendimiento.
La relación entre simulación y pruebas debe ser iterativa, con datos de prueba utilizados para validar y perfeccionar modelos de simulación, y simulación utilizada para planificar pruebas más eficientes e informativas. Este enfoque integrado aprovecha las fortalezas de simulación y pruebas al mismo tiempo que mitiga sus respectivas limitaciones. Organizaciones que integran exitosamente la simulación y las pruebas logran ciclos de desarrollo más rápidos, productos de mayor calidad y uso más eficiente de recursos de ingeniería.
Building Simulation Expertise and Capabilities
El uso eficaz de herramientas de simulación requiere una experiencia sustancial en dinámica de vehículos, métodos numéricos y herramientas de simulación específicas que se emplean. Las organizaciones deben invertir en capacitación y desarrollo para crear y mantener capacidades de simulación, lo que incluye no sólo la capacitación en herramientas específicas de software, sino también la comprensión fundamental de los principios de dinámica de vehículos, metodologías de simulación y mejores prácticas para el desarrollo y validación de modelos.
La creación de experiencia en simulación es un proceso continuo, ya que las herramientas de simulación y las metodologías siguen evolucionando. Las organizaciones deben establecer comunidades de práctica, fomentar el intercambio de conocimientos y mantener conexiones con la comunidad de simulación más amplia mediante la participación en conferencias, talleres y organizaciones profesionales. Estas actividades ayudan a asegurar que los equipos de ingeniería sigan siendo actuales con las últimas técnicas de simulación y pueden aprovechar nuevas capacidades a medida que estén disponibles.
Conclusión
Las herramientas de simulación se han convertido en indispensables para predecir y optimizar el comportamiento dinámico de los vehículos en la industria moderna de automoción. Desde la dinámica multicuerpos y el análisis de elementos finitos hasta las dinámicas de fluidos computacionales y las plataformas de dinámica integradas de los vehículos, estas herramientas permiten a los ingenieros analizar, probar y refinar el rendimiento de los vehículos en entornos virtuales antes de comprometerse a prototipos físicos caros.
A medida que la industria automotriz siga evolucionando con electrificación, conducción autónoma y creciente complejidad de los vehículos, las herramientas de simulación desempeñarán un papel aún más crítico en el desarrollo de los vehículos. Tecnologías emergentes como gemelos digitales, inteligencia artificial y computación de nubes prometen mejorar aún más las capacidades de simulación y permitir nuevos enfoques para la ingeniería de vehículos. Organizaciones que efectivamente aprovechan estas capacidades de simulación serán bien posicionadas para ofrecer vehículos innovadores y de alto rendimiento que cumplan con los exigentes requisitos ambientales.
El éxito con la simulación de dinámica de vehículos requiere más que acceso a herramientas de software sofisticadas. Exige objetivos claros, fidelidad modelo adecuada, validación rigurosa, integración con pruebas físicas, e inversión sostenida en la construcción y mantenimiento de conocimientos de simulación. Organizaciones que abrazan estas mejores prácticas y consideran la simulación como una capacidad estratégica en lugar de simplemente una herramienta se dará cuenta del pleno potencial de simulación para acelerar la innovación, reducir los costos de desarrollo y ofrecer un rendimiento de vehículos superior.
Para ingenieros y organizaciones que buscan mejorar sus capacidades de simulación de dinámicas de vehículos, se dispone de numerosos recursos, incluyendo proveedores de software, programas de capacitación, servicios de consultoría y comunidades profesionales. Aprovechando estos recursos y comprometiéndose a mejorar continuamente los procesos y capacidades de simulación, los ingenieros de automoción pueden aprovechar el pleno poder de simulación para abordar los complejos desafíos del desarrollo moderno de vehículos y entregar vehículos que exceden las expectativas de los clientes para el rendimiento, la seguridad y la calidad.