车辆结构设计仿真分析系统技术领域
本发明涉及计算机仿真应用技术领域，具体涉及一种车辆结构设计仿真分
析系统。
背景技术
汽车碰撞事故在交通事故中占有很大的比例，严重危险驾驶员和乘员的生
命安全。世界各国都出台了相关的法律和法规来保障汽车碰撞时的安全性。各
厂商为了能够在认证时获得好的评级，需要对设计进行碰撞仿真和评估。然后
进行优化设计，再重新进行校对。目前在汽车领域这样的工作往往都是分开进
行，中间需要大量的手工统计和操作，从而消耗了大量的时间和精力。而且随
着市场竞争的激烈化，快速的提供高质量设计的汽车也是各厂商的核心竞争力
的体现。这使得如何加速汽车的结构和属性参数设计、仿真分析和优化设计的
一体化问题成为一个核心的技术问题。
当前计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)以及优化设计方法
在当今汽车、航空、航天、能源等领域的研发、生成、制造中起着重要的作用。
在工业产品设计流程中，通常首先需要通过设计来得到初始的结构参数；然后
通过分析方法来对结构进行校对和验证；接着进一步通过优化方法来反求得到
最优的结构或属性参数。但是由于CAE以及优化设计作为独立学科发展的原
因，目前仿真分析和优化设计主要还是以独立软件运行的方式来存在的，它们
之间数据的传递主要通过文本文件或独立的参数文件来完成。尽管，像Isight
等部分软件或技术方案中实现了在优化设计中驱动仿真分析程序，但由于仿真
分析程序与优化设计程序的独立性，目前只能实现通过修改仿真分析程序的输
入文件的方式来驱动。从本质上来说，这种方式还是通过外部驱动来实现的。
这种方式的另一个重大问题是无法直接准确的获取计算结果，特别是当结果不
是由单一变量值，而是由多个变量的综合计算得出时。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种车辆结构设计仿真分析系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
车辆结构设计仿真分析系统，包括
三维生成模块，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组
3D投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖各种车零件组成图像，并予以
详细刻画；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与三维生成模块中的各元素建立关系
后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不
同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，用来在仿真模型中插入一些各类型，虚拟结构来达到直接获
取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，再加上分析和
计算后的结果，仿真分析体系可以用仿真分析五元组模型来表示；
优化设计模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束，再
结合优化算法和优化结果，优化设计体系可以用优化设计五元组模型来表示；
优化设计模块驱动虚拟作动器循环执行分析仿真分析系统，所述虚拟作动
器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取
数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动传递结构反馈给优化设计模块；
转移节点模块，与三维生成模块中的各元素相连，通过改变转移节点的位
置、方向设置，使车辆产生相应的运动；
数据库，用于储存各种车辆的运动模式以及事故场景模式；
数据更新模块，用于通过3G网络、Wi-Fi网络和有线网络的方式更新数据
库内的数据；
中央处理器，用于协调上述各个模块工作。
优选地，所述仿真分析模块内包括：Element：广义单元为仿真分析的真
实对象(即分析的载体)，这种载体主要是物理存在的实际结构或部件(如汽
车前围板、保险杠或整车等)；Property：特性为一些分析对象上静态的共
用属性信息，如材料、截面等；Load：载荷为加载在这些分析载荷上外部影
响因素或条件，如受力载荷、温度载荷、边界条件等；Analysis：分析为各
类具体的仿真分析方法和评估方法；Result：计算得到的数据以及基于数据
处理的表格、云图、报告；Variable：设计变量是模型中可变量的标识，包
括结构参数、特性参数以及载荷参数等；Target：设计目标是最终用于衡量
模型的好坏或合理性的指标或指标的处理结果；Constraint：设计约束是系
统在考虑优化时需要遵守的规则，如安全裕度需要满足最低要求等；
OptAlgorithm：优化设计方法是各类进行优化设计的具体算法；OptResult：
优化结果通过优化计算得到的设计变量的最优取值。
优选地，所述优化设计模块包括设计变量、设计目标以及设计约束在仿真
分析体系中相关元素有着直接或间接的对应关系，建立起来元素间的对应关系
将可以打破两模块间的隔阂，并使优化设计系统可以驱动起仿真分析系统，并
从中直接得到想要的数据，从而大大的提升效率和数据质量。
优选地，所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器，所述通
用虚拟传感器包括如温度传感器、变形传感器、B柱加速度传感器、前围板侵
入量传感器和碰撞评估传感器；而所述专用虚拟传感器是与特定的系统相关
的，在汽车碰撞安全性系统中的B柱加速度传感器、在发动机优化设计系统中
的强度传感器。
优选地，所述温度传感器为包括一个作用在的节点位置信息即三维坐标，
所述变形传感器：包括一个原始参考点和变形位置点信息；B柱加速度传感器
包括一个B柱部件上的节点位置信息；前围板侵入量传感器包括一个原始参考
点和多个侵入量探测点；碰撞评估传感器包括了各类法规中定义的指标数据，
在实现时需要将这些数据提取出来，独立进行存储。
优选地，所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载
荷作动器。
优选地，所述虚拟作动器定义关联的对象，结构作动器可以且仅可以关联
部件；同时提供与结构部件的具体参数相关联的驱动变量，并定义好变量的类
型、范围、取值长度。
本发明具有以下有益效果：
大大的提升了汽车分析与优化的整体效率：目前的方案由于都是基于独立
的软件，数据传递采用文件来进行，对于结果的提取还需要很多的人工操作；
而本发明技术方案，通过定义汽车碰撞相关的虚拟作动器(结构作动器等)和
虚拟传感器(变形传感器、B柱加速度传感器等)后，可以直接驱动CAE分析、
提取结果，数据的传递在系统内部，从而提高的效率；具有更高的数据一致性：
通过“广义模型”和“代理模型”等建模技术实现了仿真分析数据和优化设计
数据的无缝连接和传递，数据在系统内部作为一个整体体系存在，减少了导入
/导出可能引入的出错机率，使用本技术方案构建的系统具有更高的一致性和
整体性；降低使用难度，提升用户体验：本发明技术方案为构建具有针对性的
汽车碰撞仿真分析与优化设计一体化系统提供了技术支持，同时可以降低使用
的难度。采用本发明技术方案构建的系统，具有更强的针对性和实用性，用户
能更有效的进行使用，而不需要对优化设计理论等有过深的了解和要求；具有
良好的可扩展性：本发明专利中技术方案针对汽车碰撞仿真分析与优化设计，
但通过对CAE仿真分析和优化设计的高度提练，使得采用本发明技术方案的框
架体系可以适应不同领域的不同需求，具有良好的可扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例车辆结构设计仿真分析系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行
进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，
并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种车辆结构设计仿真分析系统，包括
三维生成模块，包括180°立体柱状环幕、高性能图形集群服务器和六组
3D投影仪，面向六通道同步并行图像运算，涵盖各种车零件组成图像，并予以
详细刻画；
虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与三维生成模块中的各元素建立关系
后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不
同的参数进行计算求解；
虚拟传感器，用来在仿真模型中插入一些各类型，虚拟结构来达到直接获
取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；
仿真分析模块，用于将输入参数划分为单元、特性和载荷，再加上分析和
计算后的结果，仿真分析体系可以用仿真分析五元组模型来表示；
优化设计模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束，再
结合优化算法和优化结果，优化设计体系可以用优化设计五元组模型来表示；
优化设计模块驱动虚拟作动器循环执行分析仿真分析系统，所述虚拟作动
器通过循环执行分析将结构反馈给仿真分析模块，所述仿真分析模块自动提取
数据给虚拟传感器，所述虚拟传感器将自动传递结构反馈给优化设计模块；
转移节点模块，与三维生成模块中的各元素相连，通过改变转移节点的位
置、方向设置，使车辆产生相应的运动；
数据库，用于储存各种车辆的运动模式以及事故场景模式；
数据更新模块，用于通过3G网络、Wi-Fi网络和有线网络的方式更新数据
库内的数据；
中央处理器，用于协调上述各个模块工作。
优选地，所述仿真分析模块内包括：Element：广义单元为仿真分析的真
实对象(即分析的载体)，这种载体主要是物理存在的实际结构或部件(如汽
车前围板、保险杠或整车等)；Property：特性为一些分析对象上静态的共
用属性信息，如材料、截面等；Load：载荷为加载在这些分析载荷上外部影
响因素或条件，如受力载荷、温度载荷、边界条件等；Analysis：分析为各
类具体的仿真分析方法和评估方法；Result：计算得到的数据以及基于数据
处理的表格、云图、报告；Variable：设计变量是模型中可变量的标识，包
括结构参数、特性参数以及载荷参数等；Target：设计目标是最终用于衡量
模型的好坏或合理性的指标或指标的处理结果；Constraint：设计约束是系
统在考虑优化时需要遵守的规则，如安全裕度需要满足最低要求等；
OptAlgorithm：优化设计方法是各类进行优化设计的具体算法；OptResult：
优化结果通过优化计算得到的设计变量的最优取值。
所述优化设计模块包括设计变量、设计目标以及设计约束在仿真分析体系
中相关元素有着直接或间接的对应关系，建立起来元素间的对应关系将可以打
破两模块间的隔阂，并使优化设计系统可以驱动起仿真分析系统，并从中直接
得到想要的数据，从而大大的提升效率和数据质量。
所述虚拟传感器包括通用虚拟传感器和专用虚拟传感器，所述通用虚拟传
感器包括如温度传感器、变形传感器、B柱加速度传感器、前围板侵入量传感
器和碰撞评估传感器；而所述专用虚拟传感器是与特定的系统相关的，在汽车
碰撞安全性系统中的B柱加速度传感器、在发动机优化设计系统中的强度传感
器。
所述温度传感器为包括一个作用在的节点位置信息即三维坐标，所述变形
传感器：包括一个原始参考点和变形位置点信息；B柱加速度传感器包括一个
B柱部件上的节点位置信息；前围板侵入量传感器包括一个原始参考点和多个
侵入量探测点；碰撞评估传感器包括了各类法规中定义的指标数据，在实现时
需要将这些数据提取出来，独立进行存储。
所述虚拟作动器包括虚拟单元作动器、虚拟特性作动器和虚拟载荷作动
器。
所述虚拟作动器定义关联的对象，结构作动器可以且仅可以关联部件；同
时提供与结构部件的具体参数相关联的驱动变量，并定义好变量的类型、范围、
取值长度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通
技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，
这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。