面向綜合性能評估的特種車輛虛擬試驗應用系統設計與實現

岳玉娜，吳 艷

（北京航天發射技術研究所，北京 100076）

特種車輛是陸基戰略武器系統進行機動和發射的重要平臺[1]，實際使用工況復雜多樣，其機動性、平順性、行駛安全性等綜合性能對武器系統的性能影響重大，對特種車輛系統級和部件級的綜合性能分析評估的需求十分迫切。但是，實物試驗所具有的成本高、周期長、風險大、樣本不足等缺點[2]嚴重制約了特種車輛的研制開發過程。虛擬試驗是現代軍事仿真領域一項重要的研究方向，它是在虛擬環境中進行的一個數字化模擬試驗過程，以虛擬數字樣機代替真實物理樣機，如同在真實環境中完成預定試驗分析，取得的試驗效果等價于在真實環境中所獲得的效果[3]。通過虛擬試驗能夠有效降低武器研制成本，縮短研制和試驗周期。因此，采用虛擬試驗方法將試驗驗證環節前移，通過設計仿真試驗，迭代改進模型，最后進行實物試驗，能夠大大降低特種車輛的研制風險并縮短研制周期。

世界上的主要先進國家自20世紀60年代起在虛擬試驗和仿真技術方面都進行了大量的研究，并建立了相關實驗室，用來進行試驗支撐體系結構及虛擬試驗系統的研制開發。如美國的TENA平臺[4]，俄羅斯的光電環境仿真試驗系統以及各種軍用模型，都已經很好地應用到工程實踐中。我國各研究院所和高校研制的HIT-TENA[5]、KD-HLA[6]、VITA[7]等虛擬試驗體系結構及組件也在不斷取得進步，但工程實用方面還與先進國家存在一定差距。

車輛虛擬試驗系統對車輛開發有重要意義。王國權、王樹鳳、余群等[8-9]開發了汽車操縱穩定性虛擬試驗系統。劉星星等[10]基于ADAMS和WTK創建了汽車操縱穩定性虛擬試驗系統。丁盼盼[2]基于ADVISOR和VRML開發了電動汽車性能仿真試驗系統。

本研究以虛擬樣機建模技術和虛擬現實技術為基礎，設計并實現了一個特種車輛虛擬試驗應用系統，包含車輛動力學模型、平順性虛擬試驗臺模型、試驗有效性評估模型、三維視景及實時驅動控制系統，能夠完成特種車輛機動性、平順性、關鍵結構強度、力學環境等虛擬試驗測試，為多軸特種車輛的設計研制以及綜合性能評估提供有效的研究手段。

1 系統設計

1.1 系統組成

特種車輛虛擬試驗應用系統旨在完成從樣機建立、試驗設計、試驗實施、數據獲取到數據分析及試驗評估的虛擬試驗全過程，從流程、方法、內容等方面與實物試驗進行虛實對比，達到以虛輔實、以虛預實的作用。本系統基于多體動力學理論和ADAMS軟件構建車輛動力學模型，基于VL Motion軟件構建振動試驗臺模型，基于有限元分析理論和ANSYS軟件進行結構強度分析，利用3DS MAX + Virtools軟件構建車輛三維視景及實時驅動控制模型，基于動力學環境數據處理方法與Matlab軟件進行試驗數據后處理，并以數據一致性分析理論為基礎進行試驗有效性評估。系統的總體架構及模塊關系如圖 1所示。

圖 1 特種車輛虛擬試驗應用系統總體架構

1.2 系統功能

本系統以Visual C++平臺為人機交互界面的開發環境，在后臺使用軟件接口API的方式封裝調用ADAMS、ANSYS、Virtual Lab Motion、Matlab 等軟件，完成功能化虛擬樣機建模、仿真試驗運行、數據處理以及評估計算，采用3DS MAX和Virtools軟件作為虛擬車輛驅動和虛擬場景可視化的開發平臺，用于進行機動運輸過程可視化虛擬試驗。

本系統的主要功能如下：

（1）以試驗向導方式調用本系統的功能模塊，實現虛擬試驗過程中各類數據和信息的交互、傳遞以及試驗流程的推進，對虛擬試驗過程進行靈活有效的管理。

（2）建立滿足不同試驗需求的特種車輛虛擬試驗樣機模型，完成虛擬試驗樣機配置和基于功能模塊的虛擬試驗樣機裝訂。

（3）實現虛擬試驗樣機模型的功能檢查以及性能校核。

（4） 針對不同類型的虛擬試驗進行試驗參數配置，生成虛擬試驗樣機技術狀態記錄表和試驗大綱，實現虛擬試驗過程規范化管理。

（5）實現整車平順性虛擬試驗，獲取底盤上裝重要部位和駕駛室關鍵位置的振動數據。

（6）基于結構有限元虛擬試驗樣機，完成特種車輛關鍵部件的結構強度虛擬試驗，獲取試驗結果。

（7）基于特種車輛使用流程的模擬需求，實現車輛機動運輸虛擬試驗的三維可視化顯示。

（8）基于裝車設備力學環境驗證及力學環境條件設計需求，對試驗數據進行統計分析。

（9）基于實物試驗數據與虛擬試驗數據，實現虛擬試驗樣機模型以及虛擬試驗的有效性評估，為用戶決策及定量評估分析提供參考。

1.3 系統運行流程

圖 2 虛擬試驗應用系統運行流程

通過本研究開發的系統進行車輛虛擬試驗的流程如圖 2所示，系統的主要特點是將試驗主要階段的各項工作，包括試驗準備、試驗實施、試驗結果處理與評估的內容通過計算機與軟件技術移植到桌面，將實物試驗的過程和方法虛擬化。

2 關鍵模塊功能及開發

2.1 虛擬樣機建立模塊

本模塊由參數配置子模塊和樣機裝訂子模塊組成。參數配置子模塊根據不同類型的虛擬試驗需求確定虛擬樣機類型，并進行底盤總體、行駛系統、轉向系統、上裝結構特種車輛模型的參數設置。樣機模型采用編寫ADAMS軟件腳本的方式生成，用戶在參數配置模塊的各功能界面中輸入構建樣機所需的各類參數，軟件界面通過VC程序框架將參數寫入指定格式文件的指定位置，文件語法遵從ADAMS軟件的*.cmd命令語法格式。樣機裝訂子模塊根據各子系統模型參數，完成虛擬試驗樣機模型的整體裝配。該模塊功能的核心算法通過Matlab軟件環境編程實現[11]，并編譯為可執行文件由虛擬試驗應用系統的程序框架調用執行。

車輛各主要子系統動力學模型的的參數如下：（1）底盤總體，設置軸數、軸距等參數。（2）行駛系統，設置車輪質量慣量、車輪安裝角度、輪距、車架質量質心、雙橫臂導向機構、懸架行程和剛度阻尼、駕駛室質量慣量及懸置特性、發動機質量慣量及懸置特性等參數。（3）轉向系統，設置轉向機構質量、轉動慣量等特性參數。（4）上裝結構，設置支腿、起豎油缸、其它負載的質量質心、安裝位置等參數。

2.2 虛擬試驗設計模塊

本模塊由試驗內容設計子模塊、測試項目設計子模塊、測試系統設置子模塊組成，主要功能為對特種車輛樣機模型的技術狀態參數進行提取和整理，形成虛擬試驗樣機技術狀態記錄表，并對虛擬試驗項目和試驗工況進行統計；根據虛擬試驗內容，確定測試參數和測試點位置，設置傳感器參數和技術指標；對試驗項目、試驗工況、測點位置、傳感器參數等進行統計匯總形成虛擬試驗設計文檔，作為后續試驗依據。

2.3 虛擬試驗模塊

2.3.1 平順性虛擬試驗模塊

本模塊主要功能是生成道路激勵，用于整車平順性分析。道路激勵的生成方式有兩種：一是構造路面文件，可以通過對路面不平度空間功率譜密度進行反變換得到，或采用試驗場路面譜數據構造。二是構建虛擬振動試驗臺，以道路模擬試驗技術基本理論為基礎獲取車輛激勵信號，以下對振動臺模型進行說明。

該模型由臺架基礎子模型和作動器子模型組成，一個六立柱車輛道路模擬試驗臺架模型如圖 3所示，更多通道試驗臺模型可通過作動器子模型方式擴展而成。

圖 3 道路模擬試驗臺架模型

車輛平順性虛擬試驗采用道路模擬試驗技術的基本理論，通過復現車輛行駛過程中所承受的道路激勵而對車輛模型開展虛擬試驗，獲取駕駛室、底盤和上裝關鍵部位的運輸過程振動特性，從而分析整車行駛平順性。本模塊采用目前道路模擬試驗領域最常用的時域波形再現（TWR）技術[12]進行車輛道路載荷波形復現，應用該技術的主要步驟如下。

2.3.1.1 獲取參考信號

根據本型號或相近車型實車道路測試獲取被試系統關注位置的響應信號，對其進行數據處理后獲得進行道路模擬虛擬試驗的參考信號。

2.3.1.2 被試系統頻響函數辨識

采用白噪聲或粉白噪聲信號對被試系統進行激勵，根據采集得到的響應信號和激勵信號對系統的頻率特性進行辨識，獲得系統的頻率響應函數。

2.3.1.3 計算初始驅動信號

根據參考信號和被試系統的阻抗（系統頻響函數的逆或廣義逆）反解出信號譜，經過傅立葉反變換和隨機相位處理后，得到時域的初始驅動信號。

2.3.1.4 迭代過程

用驅動信號激勵被試系統，并測量響應信號，根據響應信號與期望信號的偏差和系統頻響函數修正并不斷更新驅動信號，直到誤差滿足精度要求，迭代過程結束。迭代結束時獲取的驅動信號用于后續試驗。

2.3.2 機動運輸過程可視化模塊

本模塊的功能是將虛擬試驗結果真實、實時地顯示出來，便于對虛擬試驗過程進行有效的監控。本模塊采用NX UG+3ds Max+Virtools的方式開發運輸環境和車輛的三維可視化模型，采用VSL腳本語言編程完成機動運輸過程中特種車輛加速度、速度、位置、姿態等動力學參數的實時解算，利用Virtools軟件的行為互動模塊（Building Blocks）對車輛動力學模型進行實時驅動[13]，對車輛運動狀態、關鍵部位動力學特性信息以及用戶對試驗過程的交互控制進行全方位可視化展示，如圖 4所示。

圖 4 機動運輸過程可視化模型

2.4 試驗評估模塊

2.4.1 試驗評估模塊功能

本模塊主要通過虛擬試驗結果與理論分析或實車測試數據進行比較，考察理論分析或實際物理過程測試數據與虛擬試驗結果的一致性，給出定性或定量評估結論，為整車或部件方案設計提供決策依據。本模塊包含基準數據和虛擬試驗數據導入、評估方法選擇、評估指標設置、評估計算及評估結果顯示等基本功能。

2.4.2 試驗評估模塊建模方法

常用的數據一致性檢驗方法[14]見表 1，下面對本模塊建模使用的TIC法、灰度關聯法和K-S檢驗法進行簡要介紹。

表 1 常用數據一致性檢驗方法

2.4.2.1 TIC法

TIC法以一個具體的值給出兩個時間序列的差異程度。設N為采樣點數，時間序列yi和xi(i=1, 2,…,N)分別表示實際系統的輸出和虛擬試驗模型的輸出，則TIC值定義為：

TIC是一個位于[0，1]之間的數，當TIC接近于1時，表示兩個時間序列的不同程度很大。

當有多個輸出變量存在時，令：

設有三組變量序列分別為f(1)、g(1)、TIC(1)、f(2)、g(2)、TIC(2)、f(3)、g(3)、TIC(3)，則有：

這種方法不考慮時間序列的長度及其統計分布規律，特別適合小樣本的情況。但這種方法不需要樣本的分布規律，難以檢測數據的統計特性，因此只能對數據有效性進行定性判斷，只適用于精度不高的場合。在本系統中，當TIC值小于0.3時，可簡單地認為虛擬試驗結果與實車測試數據具有一致性。

2.4.2.2 灰度關聯法

灰度關聯法通過對系統統計數列幾何關系的比較來分析多因素數列間的關聯程度。關聯度能夠反映系統之間、事物之間的關聯程度，因此可以通過分析虛擬試驗數據與各可信等級的特征數據的關聯度來判斷虛擬試驗結果的可信度，進而評估虛擬試驗的有效性?；叶汝P聯法將評估等級分為很可信、較可信、可信、不可信、很不可信5個等級。根據試驗數據類型的不同，評估等級的誤差按照表 2所列數據進行確定。

表 2 灰度關聯法誤差等級

2.4.2.3 K-S檢驗法

K-S檢驗法基于經驗分布是理論分布相容估計的原則，它用于描述兩個獨立統計樣本的相似性，并要求總體分布必須假定為連續，主要用于試驗次數較少的場合。K-S檢驗法的評估精度與顯著性水平相關，一般情況下顯著性指標選擇為0.05或0.1。

假設Xi(i= 1, 2, …,n1)是來自于分布函數F(x)的總體X中的樣本，Yi(i= 1, 2, …,n2)是來自于分布函數G(x)的總體Y中的樣本，且兩個樣本互相獨立。對于假設檢驗，則：

當F(x) =G(x)且F(x)為連續函數時可計算統計量Dn的精確分布，當樣本數很大時，有：

應用統計量Dn進行假設檢驗，當樣本數n＜100時，對于給定的水平α，查表得臨界值Dn,α，使得：

當樣本數n＞100時，查表得到給定水平α下的λ1?α，根據下式計算Dn,α：

對于不同類型試驗產生的數據，需要選擇不同的評估方法。特種車輛在機動運輸、車載設備力學環境試驗等過程中所產生的大部分測量數據滿足平穩隨機假設。由于平穩隨機過程的多次測試數據在時間歷程上不具有可比性，但其統計特性與時間無關，所以對于這類數據，可以從分布情況和時域統計值方面進行評估，也可以對頻域數據進行評估。

3 虛擬試驗實例

3.1 計算模型與計算流程

以某8軸重型特種車輛為例，該車的動力學模型主要由底盤、上裝、負載等組成，負載與車體通過車架回轉軸和前托座相連，進行平順性虛擬試驗的試驗流程如圖 5所示。

圖 5 平順性虛擬試驗流程

3.2 試驗評估

該車在汽車試驗場完成了空載、滿載條件下，不同狀態路面、不同行駛速度車輛關鍵位置應變、振動加速度、位移等信號的測量。在實測數據中選取平坦路面、車速30 km/h工況下的測試結果作為虛擬試驗結果評估的基準數據。

3.2.1 數據預處理

由于實測過程中車輛本身包含發動機等高頻激勵因素，而動力學模型簡化時僅考慮路面激勵的影響而忽略其它激勵，因此虛擬試驗結果僅包含低頻激勵。為便于虛實數據對比，需要對測試數據進行預處理。

測試數據的預處理過程包括數據中心化和濾波。中心化采用全局中心化方法，即對采集的數據整體去除均值。濾波采用6階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為60 Hz。

3.2.2 數據對比

經過數據預處理后，提取車輛底盤各車橋上支耳、負載前托座和回轉軸等共10處位置的振動加速度的3次實測數據，同時提取相同工況的虛擬試驗結果，計算3次測試平均和虛擬試驗結果的均方根值，對比情況見表 3。通過與實車試驗數據對比可知，虛擬試驗結果的誤差大部分在15%以內，具有一定的準確度。

表 3 平坦路面30 km/h試驗結果均方根對比

3.2.3 有效性評估

對于上節提取的實車試驗和虛擬試驗結果進行評估，由于評估數據為處理后的總均方根值，灰度關聯法的誤差等級選取“線性靜態數據”，K-S檢驗法的顯著性水平設置為0.1。經系統評估分析，TIC法得到的TIC指數為0.12，表明實車試驗和虛擬試驗的“數據一致性較好”；灰度關聯法的最大關聯度出現在“可信”等級，K-S檢驗法在給定顯著性水平的評估結果為“數據具有一致性”。

本研究對不同車速、不同路面條件車輛的運輸振動試驗的虛實對比和試驗有效性均進行了分析，篇幅所限，不一一說明。分析結果表明，開發的虛擬試驗應用系統能夠比較真實地模擬在實際道路上，車輛的運輸動力學響應特性，虛擬試驗結果能夠為新研型號車輛方案的設計改進、整車平順性分析、關鍵設備力學環境設計等提供依據。

4 結論

以面向特種車輛綜合性能評估為目標，調研了虛擬試驗技術在特種車輛工程領域的應用現狀，分析了整車性能及關鍵結構動力學特性在特種車輛研制及性能評估過程中的需求，梳理了虛擬試驗的流程及方法，并以此為基礎設計開發了特種車輛虛擬試驗應用系統。

（1）通過建立特種車輛虛擬試驗樣機，進行虛擬試驗方案設計，采用虛擬試驗手段實現了特種車輛整車性能及其關鍵結構動力學性能的虛擬試驗，獲取車輛關鍵特性數據，通過開展某型特種車平順性虛擬試驗驗證了該系統的使用可靠性以及模型合理性。

（2）由虛擬試驗結果分析可知，所設計的系統能夠較好地模擬車輛實際運動過程中的動態響應，底盤關鍵部位振動響應精度基本滿足工程使用需求。因此，在車輛實體進行生產制造前，先期通過虛擬試驗預示，可以不斷迭代修改模型，改進設計方案，縮短研制周期，避免不必要的損失并降低研制風險。

（3）基于VR技術建立了虛擬現實場景，包括虛擬車輛和虛擬環境，根據動力學模型得到的仿真結果驅動汽車在虛擬場景中運行，實現了車輛在不同工況條件下的虛擬試驗可視化。