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.