面向综合性能评估的特种车辆虚拟试验应用系统设计与实现

时间：2024-06-19

岳玉娜，吴艳

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

特种车辆是陆基战略武器系统进行机动和发射的重要平台[1]，实际使用工况复杂多样，其机动性、平顺性、行驶安全性等综合性能对武器系统的性能影响重大，对特种车辆系统级和部件级的综合性能分析评估的需求十分迫切。但是，实物试验所具有的成本高、周期长、风险大、样本不足等缺点[2]严重制约了特种车辆的研制开发过程。虚拟试验是现代军事仿真领域一项重要的研究方向，它是在虚拟环境中进行的一个数字化模拟试验过程，以虚拟数字样机代替真实物理样机，如同在真实环境中完成预定试验分析，取得的试验效果等价于在真实环境中所获得的效果[3]。通过虚拟试验能够有效降低武器研制成本，缩短研制和试验周期。因此，采用虚拟试验方法将试验验证环节前移，通过设计仿真试验，迭代改进模型，最后进行实物试验，能够大大降低特种车辆的研制风险并缩短研制周期。

世界上的主要先进国家自20世纪60年代起在虚拟试验和仿真技术方面都进行了大量的研究，并建立了相关实验室，用来进行试验支撑体系结构及虚拟试验系统的研制开发。如美国的TENA平台[4]，俄罗斯的光电环境仿真试验系统以及各种军用模型，都已经很好地应用到工程实践中。我国各研究院所和高校研制的HIT-TENA[5]、KD-HLA[6]、VITA[7]等虚拟试验体系结构及组件也在不断取得进步，但工程实用方面还与先进国家存在一定差距。

车辆虚拟试验系统对车辆开发有重要意义。王国权、王树凤、余群等[8-9]开发了汽车操纵稳定性虚拟试验系统。刘星星等[10]基于ADAMS和WTK创建了汽车操纵稳定性虚拟试验系统。丁盼盼[2]基于ADVISOR和VRML开发了电动汽车性能仿真试验系统。

本研究以虚拟样机建模技术和虚拟现实技术为基础，设计并实现了一个特种车辆虚拟试验应用系统，包含车辆动力学模型、平顺性虚拟试验台模型、试验有效性评估模型、三维视景及实时驱动控制系统，能够完成特种车辆机动性、平顺性、关键结构强度、力学环境等虚拟试验测试，为多轴特种车辆的设计研制以及综合性能评估提供有效的研究手段。

1 系统设计

1.1 系统组成

特种车辆虚拟试验应用系统旨在完成从样机建立、试验设计、试验实施、数据获取到数据分析及试验评估的虚拟试验全过程，从流程、方法、内容等方面与实物试验进行虚实对比，达到以虚辅实、以虚预实的作用。本系统基于多体动力学理论和ADAMS软件构建车辆动力学模型，基于VL Motion软件构建振动试验台模型，基于有限元分析理论和ANSYS软件进行结构强度分析，利用3DS MAX + Virtools软件构建车辆三维视景及实时驱动控制模型，基于动力学环境数据处理方法与Matlab软件进行试验数据后处理，并以数据一致性分析理论为基础进行试验有效性评估。系统的总体架构及模块关系如图 1所示。

图 1 特种车辆虚拟试验应用系统总体架构

1.2 系统功能

本系统以Visual C++平台为人机交互界面的开发环境，在后台使用软件接口API的方式封装调用ADAMS、ANSYS、Virtual Lab Motion、Matlab 等软件，完成功能化虚拟样机建模、仿真试验运行、数据处理以及评估计算，采用3DS MAX和Virtools软件作为虚拟车辆驱动和虚拟场景可视化的开发平台，用于进行机动运输过程可视化虚拟试验。

本系统的主要功能如下：

（1）以试验向导方式调用本系统的功能模块，实现虚拟试验过程中各类数据和信息的交互、传递以及试验流程的推进，对虚拟试验过程进行灵活有效的管理。

（2）建立满足不同试验需求的特种车辆虚拟试验样机模型，完成虚拟试验样机配置和基于功能模块的虚拟试验样机装订。

（3）实现虚拟试验样机模型的功能检查以及性能校核。

（4）针对不同类型的虚拟试验进行试验参数配置，生成虚拟试验样机技术状态记录表和试验大纲，实现虚拟试验过程规范化管理。

（5）实现整车平顺性虚拟试验，获取底盘上装重要部位和驾驶室关键位置的振动数据。

（6）基于结构有限元虚拟试验样机，完成特种车辆关键部件的结构强度虚拟试验，获取试验结果。

（7）基于特种车辆使用流程的模拟需求，实现车辆机动运输虚拟试验的三维可视化显示。

（8）基于装车设备力学环境验证及力学环境条件设计需求，对试验数据进行统计分析。

（9）基于实物试验数据与虚拟试验数据，实现虚拟试验样机模型以及虚拟试验的有效性评估，为用户决策及定量评估分析提供参考。

1.3 系统运行流程

图 2 虚拟试验应用系统运行流程

通过本研究开发的系统进行车辆虚拟试验的流程如图 2所示，系统的主要特点是将试验主要阶段的各项工作，包括试验准备、试验实施、试验结果处理与评估的内容通过计算机与软件技术移植到桌面，将实物试验的过程和方法虚拟化。

2 关键模块功能及开发

2.1 虚拟样机建立模块

本模块由参数配置子模块和样机装订子模块组成。参数配置子模块根据不同类型的虚拟试验需求确定虚拟样机类型，并进行底盘总体、行驶系统、转向系统、上装结构特种车辆模型的参数设置。样机模型采用编写ADAMS软件脚本的方式生成，用户在参数配置模块的各功能界面中输入构建样机所需的各类参数，软件界面通过VC程序框架将参数写入指定格式文件的指定位置，文件语法遵从ADAMS软件的*.cmd命令语法格式。样机装订子模块根据各子系统模型参数，完成虚拟试验样机模型的整体装配。该模块功能的核心算法通过Matlab软件环境编程实现[11]，并编译为可执行文件由虚拟试验应用系统的程序框架调用执行。

车辆各主要子系统动力学模型的的参数如下：（1）底盘总体，设置轴数、轴距等参数。（2）行驶系统，设置车轮质量惯量、车轮安装角度、轮距、车架质量质心、双横臂导向机构、悬架行程和刚度阻尼、驾驶室质量惯量及悬置特性、发动机质量惯量及悬置特性等参数。（3）转向系统，设置转向机构质量、转动惯量等特性参数。（4）上装结构，设置支腿、起竖油缸、其它负载的质量质心、安装位置等参数。

2.2 虚拟试验设计模块

本模块由试验内容设计子模块、测试项目设计子模块、测试系统设置子模块组成，主要功能为对特种车辆样机模型的技术状态参数进行提取和整理，形成虚拟试验样机技术状态记录表，并对虚拟试验项目和试验工况进行统计；根据虚拟试验内容，确定测试参数和测试点位置，设置传感器参数和技术指标；对试验项目、试验工况、测点位置、传感器参数等进行统计汇总形成虚拟试验设计文档，作为后续试验依据。

2.3 虚拟试验模块

2.3.1 平顺性虚拟试验模块

本模块主要功能是生成道路激励，用于整车平顺性分析。道路激励的生成方式有两种：一是构造路面文件，可以通过对路面不平度空间功率谱密度进行反变换得到，或采用试验场路面谱数据构造。二是构建虚拟振动试验台，以道路模拟试验技术基本理论为基础获取车辆激励信号，以下对振动台模型进行说明。

该模型由台架基础子模型和作动器子模型组成，一个六立柱车辆道路模拟试验台架模型如图 3所示，更多通道试验台模型可通过作动器子模型方式扩展而成。

图 3 道路模拟试验台架模型

车辆平顺性虚拟试验采用道路模拟试验技术的基本理论，通过复现车辆行驶过程中所承受的道路激励而对车辆模型开展虚拟试验，获取驾驶室、底盘和上装关键部位的运输过程振动特性，从而分析整车行驶平顺性。本模块采用目前道路模拟试验领域最常用的时域波形再现（TWR）技术[12]进行车辆道路载荷波形复现，应用该技术的主要步骤如下。

2.3.1.1 获取参考信号

根据本型号或相近车型实车道路测试获取被试系统关注位置的响应信号，对其进行数据处理后获得进行道路模拟虚拟试验的参考信号。

2.3.1.2 被试系统频响函数辨识

采用白噪声或粉白噪声信号对被试系统进行激励，根据采集得到的响应信号和激励信号对系统的频率特性进行辨识，获得系统的频率响应函数。

2.3.1.3 计算初始驱动信号

根据参考信号和被试系统的阻抗（系统频响函数的逆或广义逆）反解出信号谱，经过傅立叶反变换和随机相位处理后，得到时域的初始驱动信号。

2.3.1.4 迭代过程

用驱动信号激励被试系统，并测量响应信号，根据响应信号与期望信号的偏差和系统频响函数修正并不断更新驱动信号，直到误差满足精度要求，迭代过程结束。迭代结束时获取的驱动信号用于后续试验。

2.3.2 机动运输过程可视化模块

本模块的功能是将虚拟试验结果真实、实时地显示出来，便于对虚拟试验过程进行有效的监控。本模块采用NX UG+3ds Max+Virtools的方式开发运输环境和车辆的三维可视化模型，采用VSL脚本语言编程完成机动运输过程中特种车辆加速度、速度、位置、姿态等动力学参数的实时解算，利用Virtools软件的行为互动模块（Building Blocks）对车辆动力学模型进行实时驱动[13]，对车辆运动状态、关键部位动力学特性信息以及用户对试验过程的交互控制进行全方位可视化展示，如图 4所示。

图 4 机动运输过程可视化模型

2.4 试验评估模块

2.4.1 试验评估模块功能

本模块主要通过虚拟试验结果与理论分析或实车测试数据进行比较，考察理论分析或实际物理过程测试数据与虚拟试验结果的一致性，给出定性或定量评估结论，为整车或部件方案设计提供决策依据。本模块包含基准数据和虚拟试验数据导入、评估方法选择、评估指标设置、评估计算及评估结果显示等基本功能。

2.4.2 试验评估模块建模方法

常用的数据一致性检验方法[14]见表 1，下面对本模块建模使用的TIC法、灰度关联法和K-S检验法进行简要介绍。

表 1 常用数据一致性检验方法

2.4.2.1 TIC法

TIC法以一个具体的值给出两个时间序列的差异程度。设N为采样点数，时间序列yi和xi(i=1, 2,…,N)分别表示实际系统的输出和虚拟试验模型的输出，则TIC值定义为：

TIC是一个位于[0，1]之间的数，当TIC接近于1时，表示两个时间序列的不同程度很大。

当有多个输出变量存在时，令：

设有三组变量序列分别为f(1)、g(1)、TIC(1)、f(2)、g(2)、TIC(2)、f(3)、g(3)、TIC(3)，则有：

这种方法不考虑时间序列的长度及其统计分布规律，特别适合小样本的情况。但这种方法不需要样本的分布规律，难以检测数据的统计特性，因此只能对数据有效性进行定性判断，只适用于精度不高的场合。在本系统中，当TIC值小于0.3时，可简单地认为虚拟试验结果与实车测试数据具有一致性。

2.4.2.2 灰度关联法

灰度关联法通过对系统统计数列几何关系的比较来分析多因素数列间的关联程度。关联度能够反映系统之间、事物之间的关联程度，因此可以通过分析虚拟试验数据与各可信等级的特征数据的关联度来判断虚拟试验结果的可信度，进而评估虚拟试验的有效性。灰度关联法将评估等级分为很可信、较可信、可信、不可信、很不可信5个等级。根据试验数据类型的不同，评估等级的误差按照表 2所列数据进行确定。

表 2 灰度关联法误差等级

2.4.2.3 K-S检验法

K-S检验法基于经验分布是理论分布相容估计的原则，它用于描述两个独立统计样本的相似性，并要求总体分布必须假定为连续，主要用于试验次数较少的场合。K-S检验法的评估精度与显著性水平相关，一般情况下显著性指标选择为0.05或0.1。

假设Xi(i= 1, 2, …,n1)是来自于分布函数F(x)的总体X中的样本，Yi(i= 1, 2, …,n2)是来自于分布函数G(x)的总体Y中的样本，且两个样本互相独立。对于假设检验，则：

当F(x) =G(x)且F(x)为连续函数时可计算统计量Dn的精确分布，当样本数很大时，有：

应用统计量Dn进行假设检验，当样本数n＜100时，对于给定的水平α，查表得临界值Dn,α，使得：

当样本数n＞100时，查表得到给定水平α下的λ1−α，根据下式计算Dn,α：

对于不同类型试验产生的数据，需要选择不同的评估方法。特种车辆在机动运输、车载设备力学环境试验等过程中所产生的大部分测量数据满足平稳随机假设。由于平稳随机过程的多次测试数据在时间历程上不具有可比性，但其统计特性与时间无关，所以对于这类数据，可以从分布情况和时域统计值方面进行评估，也可以对频域数据进行评估。

3 虚拟试验实例

3.1 计算模型与计算流程

以某8轴重型特种车辆为例，该车的动力学模型主要由底盘、上装、负载等组成，负载与车体通过车架回转轴和前托座相连，进行平顺性虚拟试验的试验流程如图 5所示。

图 5 平顺性虚拟试验流程

3.2 试验评估

该车在汽车试验场完成了空载、满载条件下，不同状态路面、不同行驶速度车辆关键位置应变、振动加速度、位移等信号的测量。在实测数据中选取平坦路面、车速30 km/h工况下的测试结果作为虚拟试验结果评估的基准数据。

3.2.1 数据预处理

由于实测过程中车辆本身包含发动机等高频激励因素，而动力学模型简化时仅考虑路面激励的影响而忽略其它激励，因此虚拟试验结果仅包含低频激励。为便于虚实数据对比，需要对测试数据进行预处理。

测试数据的预处理过程包括数据中心化和滤波。中心化采用全局中心化方法，即对采集的数据整体去除均值。滤波采用6阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为60 Hz。

3.2.2 数据对比

经过数据预处理后，提取车辆底盘各车桥上支耳、负载前托座和回转轴等共10处位置的振动加速度的3次实测数据，同时提取相同工况的虚拟试验结果，计算3次测试平均和虚拟试验结果的均方根值，对比情况见表 3。通过与实车试验数据对比可知，虚拟试验结果的误差大部分在15%以内，具有一定的准确度。

表 3 平坦路面30 km/h试验结果均方根对比

3.2.3 有效性评估

对于上节提取的实车试验和虚拟试验结果进行评估，由于评估数据为处理后的总均方根值，灰度关联法的误差等级选取“线性静态数据”，K-S检验法的显著性水平设置为0.1。经系统评估分析，TIC法得到的TIC指数为0.12，表明实车试验和虚拟试验的“数据一致性较好”；灰度关联法的最大关联度出现在“可信”等级，K-S检验法在给定显著性水平的评估结果为“数据具有一致性”。

本研究对不同车速、不同路面条件车辆的运输振动试验的虚实对比和试验有效性均进行了分析，篇幅所限，不一一说明。分析结果表明，开发的虚拟试验应用系统能够比较真实地模拟在实际道路上，车辆的运输动力学响应特性，虚拟试验结果能够为新研型号车辆方案的设计改进、整车平顺性分析、关键设备力学环境设计等提供依据。