LMS SYSNOISE支持声学传感系统的优化

当您正驾驶汽车进入一个狭小的停车空间时，有一个友好的声音在提醒您车前车后的障碍物。声音频率越快，就说明车离看不到的障碍物越近。这就是Valeo超声波停车辅助系统的工作。此前，工程师花费数月时间努力地调整车辆模型上安装的系统以获得多个高级汽车模型，现在Valeo已经将其业务扩展到小型货车、运动型车辆(SUVs)和家庭车辆等市场。这些车辆的利润空间很小，但其市场空间很大—是公司不断增长的收入。但此策略也面临着巨大的挑战：工程师在设计每个车辆模型的传感器及其安装上只能花费少量时间。这正是声学仿真的切入点，可以使Valeo只需先前实物试验时间的一半即可开发出具有创新性的声学设备。超声波停车辅助系统正是Valeo从现在到未来在不同检测和开关装置的开发过程中，应用仿真方法的产品战略之一。这些检测和开关装置包括目前正在设计中的车窗开关装置。

在Valeo的超声波停车辅助(UPA)设备的开发中使用声学仿真是开关与传感系统部门仿真经理Richard Rapp博士的想法。Richard Rapp博士受雇于1997年，主要研究使用分析技术的方法，他所在的公司是当今世界上在汽车交通传感和警告系统方面的领先者，这些系统包括超声波停车辅助设备、盲点检测设备、车道启动警告和其它驾驶辅助设备。该公司是当今世界上几乎每个主要汽车公司的一级供应商。Rapp博士说，他直接确定高效进行开发工作的需求，以满足有利于停车辅助设备市场的商业需求。“由于以前大量的工作都是通过对实物原型进行许多试验来进行的，因而使用仿真来加速这些传感器及其安装的开发是非常合适的，”他解释到。

概念简单，设计困难

超声波停车辅助系统(UPA)非常简单，就像蝙蝠和潜艇中的声纳系统一样。通过40千赫的电信号激发，安装在汽车缓冲器上的压电陶瓷膜就在其共振频率上振动，并发射出一种声波，该声波可以通过车辆行驶道路上的物体反射回来。回波能够通过相同的隔膜检测出来，它可以振动并逆转压电过程－把声波能量转变成电信号。系统内部电路可以跟踪回波所用的时间，从而计算出汽车和物体之间的距离。

Rapp博士解释说，在系统开发过程中，工程师必须设置发射声波的幅值和方向以确保正确的操作。“过多的能量将会产生虚假的二次回波来迷惑系统，”他说，“能量太少又不会产生反射而无法进行检测。”不仅如此，发射声波还将在很大程度上受到传感器在车辆缓冲器上的安装方式的影响：安装的凹进深度、漏斗形安装的开口角度、在缓冲器上的位置、和所有周围部件的位置，例如牌照、散热器护栅、拖车拴钩、车饰和前悬。

解决这些很多实际问题需要相当多的技术和时间。在采用仿真技术之前，工程师要花费大量时间熔补缓冲器的实物原型和车身模型，直到他们找到一个适合的结构。但不幸的是，车身的频繁变动迫使工程师一次又一次地重新设计系统。并且很多质量问题都是直到最后的试验阶段才出现的，因此需要快速修改，不一定实现最优设计。

连续虚拟过程链

为了克服这些问题，Rapp博士实施了这样一个策略，即通过一种他称为是“连续虚拟过程链”将这些问题移入到完全数字化开发流程中，这样就可以通过虚拟原型和仿真使设计从概念进入到最终的设计。“这个过程能够帮助我们在开发初期开展更多的工程，以便研究更多的设计方案并在早期改进这些设计，而不是在开发周期结束时来弥补不足，” Rapp博士解释道，“实物原型将仅仅用于设计的最终验证。”

半球形表面输出结果（右边）与显示在两个里面（中间）或曲线图（左边）
的输出结果相比，可以使Valeo工程师对三维空间声场的形态和强度具有更深的了解

连续虚拟过程链开始于ANSYS有限元软件的模态分析，以确保传感器隔膜共振频率接近40千赫。接着，在ANSYS中进行动力学计算以确定振动幅值大小。这些数据提供给LMS SYSNOISE声学模拟软件，使用边界元法计算表面压力和传感器产生的声场。通过大量后处理选项，LMS SYSNOISE能够提供各种输出结果，包括声压的瞬态或频率响应函数、声强、表面速度、彩色等高线图、柱形统计图表、和２维方向极坐标图。

通过Rapp博士的解释，对于Valeo工程师最有价值的信息是一个半球形表面包络，它可以描述声场的形态和强度。“LMS SYSNOISE提供了一个三维空间中声场的精确表述方式。这使得我们的工程师对传感器有所理解，这在以前是不可能的，”Rapp博士说道，“这种功能在评价传感器安装和周围结构的影响是特别有用的。我们需要在水平面上有宽阔的辐射，以覆盖车后的整个范围，还需要在垂直面上较小的辐射，以减少地面的反射。以前进行实物模型研究包括很多试验，如今我们的工程师了解产品的性能，并能在实物原型建好之前对设计进行改进。” [page]

UPA声场是受安装的凹进深度（Ｈ）、漏斗型安装的开口角度（a）和周围硬件影响的。

惊人的收益

声学仿真对Valeo具有惊人的优势。Rapp博士认为，此过程和单独采用实物原型试验相比，能让工程师节约将近50%的产品开发时间。“除了能节省时间外，我们还能降低成本，提升质量，获得更多的产品性能知识，以开发出更具创新意识的设计，从而满足市场需求和用户的期望，”他解释道，“这能使我们以更快的周期、更低的成本、具有创新力的最佳设计，为市场更有效地开发出声学传感系统。”

Rapp博士还说道，声场模拟的图形三维输出使Valeo同其不断增长的客户更紧密地结合在一起。“仿真可以帮助我们向汽车公司展示我们的专门技术，并且能够加深他们对我们产品性能的了解，”他说道，“这个功能具有广泛的商业价值，可以获得客户对我们的信任和信心。同样，从工程方面来说，仿真为我们提供了可量化信息，可以为客户提供有关车辆缓冲器和周围硬件设置的建设性修改方案。”

技术整合与扩展


除了UPA和其它交通环境传感系统，Valeo的开关和传感系统部门还开发了大量其它设备，例如，发动机传感器、慢行控制器、和仪表板开关与模块。

Rapp表示，这些系统和部件的开发将会从连续虚拟过程链中受益，并与设计和多种类型的分析技术无缝集成。Valeo已将CATIA V5作为CAD的标准工具，同时将ANSYS也作为进行详细有限元分析的标准工具。LMS SYSNOISE大量使用在声学仿真过程中。其它技术也将集成到这个虚拟过程链中，以确定其它一些性能属性，如系统动力学特性、耐久性和振动等。

Rapp解释道，LMS Virtual.Lab平台可用于整合这些技术，并为CATIA、ANSYS和LMS Virtual.Lab支持的不同关键属性之间提供一个理想的链接。用户能够读取ANSYS模型和结果，并可将ANSYS视为LMS Virtual.Lab支持的工程流程中的集成部分。用户还能够自动设置ANSYS求解方案，并通过LMS Virtual.Lab驱动ANSYS求解器。

在多体仿真车台中，使用LMS Virtual.Lab Motion在儿童保护窗口开关中减少了30%的开关力。

在这样的应用中，LMS Virtual.Lab作为一个通用平台，将设计和分析程序联系起来。否则设计和分析程序将独立运行并产生独立的结果，这样用户就会花费时间来改写模型、并将网格和信息从一个系统复制到另一个系统。LMS Virtual.Lab对这些不同应用保持着完全的关联性，因此一个程序的输出结果能够自动地应用到其它程序－无论对于设计还是分析。这样，几何结构的改变可以自动贯穿整个分析过程，还可以有效评价不同的设计方案，因而工程师能够更高效地在不同属性之间权衡利弊。

作为这个整合策略的一部分，Valeo已把LMS Virtual.Lab Motion作为多体动力学的标准软件，对机械系统的运动和载荷进行分析。选择LMS Virtual.Lab Motion是因为它与CATIA V5和ANSYS无缝集成，同Virtual.Lab平台的整合，还有能够轻松处理柔体结构的功能，以及它的分级树结构，简单易用，和LMS提供的优秀技术支持。

在多体模拟车台中，分析儿童安全保护窗口开关来减少过分的开关力，这些力是在把受弹簧支撑的作动筒组件车轮移动到其锁定位置的斜面区所需要的。使用以前的试错实验方法，工程师要每次修改弹簧常数或象限形状。过去这种方法得到的可用设计不一定是最好的设置。采用多体仿真，结合LMS Virtual.Lab Optimization模块，所有的参数能够同时优化，得到一个优化的设计，可以满足所有的设计标准。这样，LMS Virtual.Lab能够使用改进的设计减少30%的开关力，如果没有仿真的帮助，这在以前是不可能实现的。

我们将这些模拟技术整合到虚拟过程链中，Valeo证明了它在创新性使用这些工具的过程中具有的领导地位。采用最新的技术不再是目标，而是加强其在竞争激烈的汽车供应链中主导地位的一种有效方式。(end)