View
97
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Un articol prezentat la Sesiunea Stiintifica de Comunicari organizata de Departamentul "Autovehicule Rutiere" din cadrul Facultatii de Transporturi a Universitatii "Politehnica" din Bucuresti
Citation preview
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
INSTRUMENTE DE SIMULARE COMPUTERIZATĂ UTILIZATE
ÎN PROIECTAREA AUTOVEHICULELOR
Simularea computerizată (model computerizat) este reprezentată de un program ce poate
funcționa pe un calculator sau pe o rețea de calculatoare care are ca scop simularea unui model
abstract al unui sistem. Simularea computerizată a devenit o parte importantă a modelării
matematice a multor sisteme din domenii ca: fizică, astrofizică, chimie, biologie și inginerie.
Simularea unui sistem reprezinta rularea modelului corespunzator acestuia. Ea poate fi folosită
pentru a dobândi noi viziuni asupra noilor tehnologii și pentru a estima performanțele unui sistem
prea complex pentru a fi supus unei abordări analitice.
Simulările computerizate pot varia de la programe de calculator ce rulează câteva minute,
până la grupuri de calculatoare conectate în rețea ce ruleaza ore în șir. Amploarea evenimentelor ce
pot fi simulate computerizat a depășit cu mult tot ce poate fi realizat prin metode clasice matematice
așternute pe hârtie.
Simularea se poate defini ca o tehnică de realizare a experiențelor cu ajutorul calculatorului
electronic, implicând utilizarea unor modele matematice sau logice ce descriu comportarea
sistemului real pe durata unui interval de timp, mic sau mare. Tehnicile de simulare se utilizează, de
obicei în cazurile în care găsirea unei soluții analitice este imposibilă, iar experimetarea folosind
sistemul real este dintr-un motiv sau altul neoperațională. La baza procesului de simulare stau
metodele de descriere, modelare și analiză a unor sisteme reale ori în curs de realizare (proiectare).
Așadar putem spune că simularea reprezintă studiul realității în mediul virtual, prin intermediul
modelelor, mai precis prin manipularea acestora.
Modelul este o reprezentare materială sau abstractă a aspectelor esențiale ale unui sistem
existent, sau ale unuia care urmează a fi construit. Modelul se elaborează în funcție de aspectele pe
care le urmărește utilizatorul, iar complexitatea acestuia trebuie să corespundă realității sistemului.
Modelarea reprezintă trecerea de la fenomenul real la modelul matematic, prin luarea în
considerare a aspectelor esențiale și prin neglijarea unor aspecte și elemente, uneori destul de
importante, în scopul realizării unui studiu pe un model matematic mai simplu.
Modelele și implicit simulările se pot clasifica în: stochastic (aleatoriu) sau determinist (în
funcție de certitudinea elementelor folosite); continue sau discrete (în funcție de modificarea
continuă sau numai în anumite momente a stării sistemului studiat); statice sau dinamice (în funcție
de importanța trecerii timpului asupra simulării).
Figura următoare prezintă procesul realizării modelului computerizat și legătura
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
dintre experiment, simulare și teorie.:
Fig.1 Procesul realizării modelului computerizat și legătura dintre experiment, simulare și teorie.
Ingineria modernă fiind atât de specializată, iar produsele având o complexitate din ce în ce
mai ridicată, proiectarea prin mijloacele clasice ar fi fost extrem de dificilă. De aceea, tot mai des
proiectanții recurg la utilizarea aplicațiilor soft și implicit a calculatorului. Astfel a luat naștere
noțiunea de Computer-aided Engineering (CAE), ce reprezintă un ansamblu al multiplelor activități
ce se pot realiza în procesul de proiectare, prin intermediul aplicațiilor soft anterior menționate.
Modelul care urmează a fi supus simulărilor este creeat cu ajutorul aplicațiilor soft de tip
CAD (Computer-aided Design) care permit realizarea liniilor si figurilor in 2D sau a curbelor,
suprafetelor și solidelor în 3D. Odată realizat și validat modelul, acesta poate fi implementat in
diverse activități de simulare asistată de calculator, precum:
FEA (Finite Element Analysis) sau FEM (Finite Element Method), metodă care este
foarte importantă în simularea rezistenței mecanice a modelelor studiate, deci în oferirea inginerilor
perspective de alegere a materialelor optime, reducere a greutații sau a costurilor. Aceasta are la
bază discretizarea modelului într-o multitudine de elemente de dimensiuni foarte mici și analiza
comportării acestora.
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
Fig.2 Rezultatele unor analize structurale utilizând metoda elementului finit.
CFD (Computational Fluid Dynamics) la baza căreia stau ecuațiile Navier-Stokes și
care are ca principiu folosirea calculatorului în vederea simulării interacțiunii dintre un lichid sau
gaz și un solid sau o suprafață. Această noțiune are la bază discretizarea modelelor folosind metoda
elementului finit si se foloseste in studiul curgerii fluidelor, interactiunii dintre fluide sau gaze și
solide precum și în studiul transferului de caldură aferente modelelor supuse simulării.
Fig.3 Simulari ale curgerii aerului realizate în medii de tip CFD
MBD (Multibody Dynamics) reprezintă analiza comportării sistemelor mecanice sub
influența forțelor (sau invers, ce forțe sunt necesare pentru a face sistemul să funcționeze într-un
anumit mod). Această metodă de simulare permite analiza unei multitudini de componente sub
forma unui ansamblu și este importantă pentru ca oferă inginerilor informații referitoarea la
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
interacțiunea dintre componentele sistemului.
Odată cu evoluția dezvoltării soluțiilor software și creșterea competiției pe piața
producătorilor de astfel de produse pentru ingineri, companiile care au ca activitate producerea de
medii virtuale de simulare și proiectare tind să implementeze toate metodele enumerate anterior în
vederea oferirii soluțiilor complete inginerilor. Astfel de exemple sunt: CATIA, Creo/PRO-E,
SolidWorks, ANSYS, Abaqus.
Fig 4. Comparatie intre module pentru CFD: Ansys FLUENT si OpenFOAM
*la CFD
Scopul lucrarii de fata nu constituie insa prezentarea tuturor instrumentelor si modulelor de
simulare existente, cat mai degraba este o analiza a catorva asemenea programe care sunt specifice
industriei auto. Acestea se bazeaza pe limbaje de programare consacrate (Matlab, C), se folosesc de
platforme ca Simulink si utilizeaza componente ale Ansys, Abaqus s.a., dar adaptate nevoilor
specifice ale acestei nise.
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
Autonomie
Autonomie este un mediu software, bazat pe platforma Matlab, un cadru pe care se poate
realiza proiectarea, verificarea si simularea diverselor sisteme de control ale automobilelor.
Este folosit de catre producatorii de autovehicule pentru diferite aplicatii, variind de la:
aplicatii la scara mica, pentru un subansamblu (ex.: implementarea programului pentru ECU) la
analize efectuate la nivel de autovehicul (ex.: determinarea consumului de carburant).
Printre functiile sale se numara si capacitatea de a realiza analize si teste, pentru calibrarea
virtuala, verificarea si validarea modelelor hardware si a algoritmilor, ceea ce reduce timpul aferent
dezvoltarii acestora.
In cadrul librariei, inclus in pachetul software, utilizatorul regaseste o vasta gama de modele
de arhitecturi ale sistemelor de propulsie conventionale, hibride si electrice.
Nivelul de detaliu al modelelor componente este flexibil, de la modele simplificate la
modele foarte detaliate si complexe, acesta fiind stabilit de utilizator in functie de cerintele
simularii. Totusi, pentru a mentine modularitatea aplicatiei fiecare model trebuie sa aiba acelasi
numar de parametrii de intrare si de iesire.
Fig 5. Etapele procesului de simulare în vederea stabilirii performanțelor de consum,
pentru un autovehicul hibrid, utilizând Autonomie
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
ADVISOR (ADvanced VehIcle SimulatOR)
ADVISOR este o unealta pentru simulare si modelare dezvoltata de Laboratorul National
pentru Energie Regenerabila S.U.A (LNER), folosita la analiza performantelor, economicitatii si
emisiilor autovehiculelor conventionale, hibride, electrice dar si a celor pe baza de pila de
combustie.
Baza sistemului este reprezentata de diagrama bloc realizata in Simulink, unde fiecare bloc in parte
reprezinta un subsistem al ansamblului studiat. Fiecare subsistem are la randul sau un fisier Matlab,
care ii defineste parametrii. Utilizatorul poate modifica astfel atat definitia unui subsistem,
modificand parametrii de intrare al blocului respectiv, dar, si fiserul care il defineste, in cazul in care
acesta doreste o alta comportare a modelului.
Fig.6 Diagrama a simulării unui subsistem pentru un autovehicul hibrid, realizată în ADVISOR.
Modelul conceput in ADVISOR foloseste datele experimentale obtinute din testarea
componentelor pentru a simula un subansamblu particular. De exemplu, un motor cu aprindere
interna este modelat prin intermediul cararcteristicii consum specific peste care este suprapusa
caracteristica de moment motor maxim. Astfel se definesc constrangerile care vor fi aplicate, dar si
inertia componentelor.
Cu toate acestea atat Autonomie cat si ADVISOR, nu sunt destul de precise pentru a simula
comportamentul autovehiculelor in anumite situatii extreme, deoarece, cum am precizat anterior, se
bazeaza pe date experimentale concretizate in tabeluri si grafice, care sunt determinate la regimuri
de functionare uzuale. Din acest motiv pentru rezultate mai precise, este nevoie de programe care sa
se bazeze pe o modelare fizica si nu experimentala. Un exemplu de functionare a unui asemenea
program este prezentat in figura de mai jos:
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
Fig.7 Reprezentarea schematică a principiului de funcționare pentru
un program bazat pe modelare fizică
MSC.Adams
MSC.Adams este un software utilizat la modelarea si simulare dinamica a ansamblurilor,
ajutand utilizatorul sa studieze dinamica componentelor in miscare, dar, si distributia incarcarilor de
a lungul sistemului analizat.
Modulul dedicat Adams/Car permite simularea diferitelor conditii de drum si astfel
realizarea diverselor teste pentru a stabili configuratia optima a subansamblului/ansamblului studiat.
Realizarea modelelor se poate face atat in cadrul programului cat si prin importare din
programe de CAD (Computer Aided Design) consacrate.
Un exemplu de simulare a unei suspensii tip MacPherson este prezentat in figura de mai jos
(se remarca faptul ca programul realizeaza si partea de analiza structurala):
Fig.7 Procesul realizării modelului computerizat și legătura dintre experiment, simulare și teorie.
Instumente de simulare utilizate in proiectarea autovehiculelor Andrei UTA, Teodor DINCUTA
O alta varianta pentru simulare este aceea de a determina doar incarcarile, in regim dinamic
care, vor fi ulterior transpuse intr un program dedicat de analiza structurala cu element finit pentru a
fi testate.
Recommended