岳玉娜，吳 艷

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

特種車輛是陸基戰(zhàn)略武器系統(tǒng)進行機動和發(fā)射的重要平臺[1]，實際使用工況復(fù)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(tǒng)的性能影響重大，對特種車輛系統(tǒng)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(fēng)險大、樣本不足等缺點[2]嚴重制約了特種車輛的研制開發(fā)過程。虛擬試驗是現(xiàn)代軍事仿真領(lǐng)域一項重要的研究方向，它是在虛擬環(huán)境中進行的一個數(shù)字化模擬試驗過程，以虛擬數(shù)字樣機代替真實物理樣機，如同在真實環(huán)境中完成預(yù)定試驗分析，取得的試驗效果等價于在真實環(huán)境中所獲得的效果[3]。通過虛擬試驗?zāi)軌蛴行Ы档臀淦餮兄瞥杀?，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(huán)節(jié)前移，通過設(shè)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(fēng)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(shù)方面都進行了大量的研究，并建立了相關(guān)實驗室，用來進行試驗支撐體系結(jié)構(gòu)及虛擬試驗系統(tǒng)的研制開發(fā)。如美國的TENA平臺[4]，俄羅斯的光電環(huán)境仿真試驗系統(tǒng)以及各種軍用模型，都已經(jīng)很好地應(yīng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)對車輛開發(fā)有重要意義。王國權(quán)、王樹鳳、余群等[8-9]開發(fā)了汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)。劉星星等[10]基于ADAMS和WTK創(chuàng)建了汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗系統(tǒng)。丁盼盼[2]基于ADVISOR和VRML開發(fā)了電動汽車性能仿真試驗系統(tǒng)。

本研究以虛擬樣機建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了一個特種車輛虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)，包含車輛動力學(xué)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(qū)動控制系統(tǒng)，能夠完成特種車輛機動性、平順性、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強度、力學(xué)環(huán)境等虛擬試驗測試，為多軸特種車輛的設(shè)計研制以及綜合性能評估提供有效的研究手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

特種車輛虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)旨在完成從樣機建立、試驗設(shè)計、試驗實施、數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)分析及試驗評估的虛擬試驗全過程，從流程、方法、內(nèi)容等方面與實物試驗進行虛實對比，達到以虛輔實、以虛預(yù)實的作用。本系統(tǒng)基于多體動力學(xué)理論和ADAMS軟件構(gòu)建車輛動力學(xué)模型，基于VL Motion軟件構(gòu)建振動試驗臺模型，基于有限元分析理論和ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)強度分析，利用3DS MAX + Virtools軟件構(gòu)建車輛三維視景及實時驅(qū)動控制模型，基于動力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)處理方法與Matlab軟件進行試驗數(shù)據(jù)后處理，并以數(shù)據(jù)一致性分析理論為基礎(chǔ)進行試驗有效性評估。系統(tǒng)的總體架構(gòu)及模塊關(guān)系如圖 1所示。

圖 1 特種車輛虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)以Visual C++平臺為人機交互界面的開發(fā)環(huán)境，在后臺使用軟件接口API的方式封裝調(diào)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(shù)據(jù)處理以及評估計算，采用3DS MAX和Virtools軟件作為虛擬車輛驅(qū)動和虛擬場景可視化的開發(fā)平臺，用于進行機動運輸過程可視化虛擬試驗。

本系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）以試驗向?qū)Х绞秸{(diào)用本系統(tǒng)的功能模塊，實現(xiàn)虛擬試驗過程中各類數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)配置，生成虛擬試驗樣機技術(shù)狀態(tài)記錄表和試驗大綱，實現(xiàn)虛擬試驗過程規(guī)范化管理。

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

（6）基于結(jié)構(gòu)有限元虛擬試驗樣機，完成特種車輛關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強度虛擬試驗，獲取試驗結(jié)果。

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

（8）基于裝車設(shè)備力學(xué)環(huán)境驗證及力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計需求，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

（9）基于實物試驗數(shù)據(jù)與虛擬試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(tǒng)運行流程

圖 2 虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)運行流程

通過本研究開發(fā)的系統(tǒng)進行車輛虛擬試驗的流程如圖 2所示，系統(tǒng)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(jié)果處理與評估的內(nèi)容通過計算機與軟件技術(shù)移植到桌面，將實物試驗的過程和方法虛擬化。

2 關(guān)鍵模塊功能及開發(fā)

2.1 虛擬樣機建立模塊

本模塊由參數(shù)配置子模塊和樣機裝訂子模塊組成。參數(shù)配置子模塊根據(jù)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(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、上裝結(jié)構(gòu)特種車輛模型的參數(shù)設(shè)置。樣機模型采用編寫ADAMS軟件腳本的方式生成，用戶在參數(shù)配置模塊的各功能界面中輸入構(gòu)建樣機所需的各類參數(shù)，軟件界面通過VC程序框架將參數(shù)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(jù)各子系統(tǒng)模型參數(shù)，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(huán)境編程實現(xiàn)[11]，并編譯為可執(zhí)行文件由虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)的程序框架調(diào)用執(zhí)行。

車輛各主要子系統(tǒng)動力學(xué)模型的的參數(shù)如下：（1）底盤總體，設(shè)置軸數(shù)、軸距等參數(shù)。（2）行駛系統(tǒng)，設(shè)置車輪質(zhì)量慣量、車輪安裝角度、輪距、車架質(zhì)量質(zhì)心、雙橫臂導(dǎo)向機構(gòu)、懸架行程和剛度阻尼、駕駛室質(zhì)量慣量及懸置特性、發(fā)動機質(zhì)量慣量及懸置特性等參數(shù)。（3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，設(shè)置轉(zhuǎn)向機構(gòu)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等特性參數(shù)。（4）上裝結(jié)構(gòu)，設(shè)置支腿、起豎油缸、其它負載的質(zhì)量質(zhì)心、安裝位置等參數(shù)。

2.2 虛擬試驗設(shè)計模塊

本模塊由試驗內(nèi)容設(shè)計子模塊、測試項目設(shè)計子模塊、測試系統(tǒng)設(shè)置子模塊組成，主要功能為對特種車輛樣機模型的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)進行提取和整理，形成虛擬試驗樣機技術(shù)狀態(tài)記錄表，并對虛擬試驗項目和試驗工況進行統(tǒng)計；根據(jù)虛擬試驗內(nèi)容，確定測試參數(shù)和測試點位置，設(shè)置傳感器參數(shù)和技術(shù)指標；對試驗項目、試驗工況、測點位置、傳感器參數(shù)等進行統(tǒng)計匯總形成虛擬試驗設(shè)計文檔，作為后續(xù)試驗依據(jù)。

2.3 虛擬試驗?zāi)K

2.3.1 平順性虛擬試驗?zāi)K

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(gòu)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(shù)據(jù)構(gòu)造。二是構(gòu)建虛擬振動試驗臺，以道路模擬試驗技術(shù)基本理論為基礎(chǔ)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(chǔ)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(shù)的基本理論，通過復(fù)現(xiàn)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(guān)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(lǐng)域最常用的時域波形再現(xiàn)（TWR）技術(shù)[12]進行車輛道路載荷波形復(fù)現(xiàn)，應(yīng)用該技術(shù)的主要步驟如下。

2.3.1.1 獲取參考信號

根據(jù)本型號或相近車型實車道路測試獲取被試系統(tǒng)關(guān)注位置的響應(yīng)信號，對其進行數(shù)據(jù)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(tǒng)頻響函數(shù)辨識

采用白噪聲或粉白噪聲信號對被試系統(tǒng)進行激勵，根據(jù)采集得到的響應(yīng)信號和激勵信號對系統(tǒng)的頻率特性進行辨識，獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

2.3.1.3 計算初始驅(qū)動信號

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

2.3.1.4 迭代過程

用驅(qū)動信號激勵被試系統(tǒng)，并測量響應(yīng)信號，根據(jù)響應(yīng)信號與期望信號的偏差和系統(tǒng)頻響函數(shù)修正并不斷更新驅(qū)動信號，直到誤差滿足精度要求，迭代過程結(jié)束。迭代結(jié)束時獲取的驅(qū)動信號用于后續(xù)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(jié)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(jiān)控。本模塊采用NX UG+3ds Max+Virtools的方式開發(fā)運輸環(huán)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(tài)等動力學(xué)參數(shù)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(xué)模型進行實時驅(qū)動[13]，對車輛運動狀態(tài)、關(guān)鍵部位動力學(xué)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(jié)果與理論分析或?qū)嵻嚋y試數(shù)據(jù)進行比較，考察理論分析或?qū)嶋H物理過程測試數(shù)據(jù)與虛擬試驗結(jié)果的一致性，給出定性或定量評估結(jié)論，為整車或部件方案設(shè)計提供決策依據(jù)。本模塊包含基準數(shù)據(jù)和虛擬試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入、評估方法選擇、評估指標設(shè)置、評估計算及評估結(jié)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(shù)據(jù)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(guān)聯(lián)法和K-S檢驗法進行簡要介紹。

表 1 常用數(shù)據(jù)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(shè)N為采樣點數(shù)，時間序列yi和xi(i=1, 2,…,N)分別表示實際系統(tǒng)的輸出和虛擬試驗?zāi)Ｐ偷妮敵?，則TIC值定義為：

TIC是一個位于[0，1]之間的數(shù)，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(shè)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(tǒng)計分布規(guī)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(guī)律，難以檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，因此只能對數(shù)據(jù)有效性進行定性判斷，只適用于精度不高的場合。在本系統(tǒng)中，當TIC值小于0.3時，可簡單地認為虛擬試驗結(jié)果與實車測試數(shù)據(jù)具有一致性。

2.4.2.2 灰度關(guān)聯(lián)法

灰度關(guān)聯(lián)法通過對系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)列幾何關(guān)系的比較來分析多因素數(shù)列間的關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)度能夠反映系統(tǒng)之間、事物之間的關(guān)聯(lián)程度，因此可以通過分析虛擬試驗數(shù)據(jù)與各可信等級的特征數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度來判斷虛擬試驗結(jié)果的可信度，進而評估虛擬試驗的有效性?；叶汝P(guān)聯(lián)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(jù)試驗數(shù)據(jù)類型的不同，評估等級的誤差按照表 2所列數(shù)據(jù)進行確定。

表 2 灰度關(guān)聯(lián)法誤差等級

2.4.2.3 K-S檢驗法

K-S檢驗法基于經(jīng)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(tǒng)計樣本的相似性，并要求總體分布必須假定為連續(xù)，主要用于試驗次數(shù)較少的場合。K-S檢驗法的評估精度與顯著性水平相關(guān)，一般情況下顯著性指標選擇為0.05或0.1。

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

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

應(yīng)用統(tǒng)計量Dn進行假設(shè)檢驗，當樣本數(shù)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(shù)n＞100時，查表得到給定水平α下的λ1?α，根據(jù)下式計算Dn,α：

對于不同類型試驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，需要選擇不同的評估方法。特種車輛在機動運輸、車載設(shè)備力學(xué)環(huán)境試驗等過程中所產(chǎn)生的大部分測量數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機假設(shè)。由于平穩(wěn)隨機過程的多次測試數(shù)據(jù)在時間歷程上不具有可比性，但其統(tǒng)計特性與時間無關(guān)，所以對于這類數(shù)據(jù)，可以從分布情況和時域統(tǒng)計值方面進行評估，也可以對頻域數(shù)據(jù)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(xué)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(zhuǎn)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(tài)路面、不同行駛速度車輛關(guān)鍵位置應(yīng)變、振動加速度、位移等信號的測量。在實測數(shù)據(jù)中選取平坦路面、車速30 km/h工況下的測試結(jié)果作為虛擬試驗結(jié)果評估的基準數(shù)據(jù)。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實測過程中車輛本身包含發(fā)動機等高頻激勵因素，而動力學(xué)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(jié)果僅包含低頻激勵。為便于虛實數(shù)據(jù)對比，需要對測試數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

測試數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程包括數(shù)據(jù)中心化和濾波。中心化采用全局中心化方法，即對采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對比

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

表 3 平坦路面30 km/h試驗結(jié)果均方根對比

3.2.3 有效性評估

對于上節(jié)提取的實車試驗和虛擬試驗結(jié)果進行評估，由于評估數(shù)據(jù)為處理后的總均方根值，灰度關(guān)聯(lián)法的誤差等級選取“線性靜態(tài)數(shù)據(jù)”，K-S檢驗法的顯著性水平設(shè)置為0.1。經(jīng)系統(tǒng)評估分析，TIC法得到的TIC指數(shù)為0.12，表明實車試驗和虛擬試驗的“數(shù)據(jù)一致性較好”；灰度關(guān)聯(lián)法的最大關(guān)聯(lián)度出現(xiàn)在“可信”等級，K-S檢驗法在給定顯著性水平的評估結(jié)果為“數(shù)據(jù)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(jié)果表明，開發(fā)的虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)能夠比較真實地模擬在實際道路上，車輛的運輸動力學(xué)響應(yīng)特性，虛擬試驗結(jié)果能夠為新研型號車輛方案的設(shè)計改進、整車平順性分析、關(guān)鍵設(shè)備力學(xué)環(huán)境設(shè)計等提供依據(jù)。

4 結(jié)論

以面向特種車輛綜合性能評估為目標，調(diào)研了虛擬試驗技術(shù)在特種車輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了整車性能及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(chǔ)設(shè)計開發(fā)了特種車輛虛擬試驗應(yīng)用系統(tǒng)。

（1）通過建立特種車輛虛擬試驗樣機，進行虛擬試驗方案設(shè)計，采用虛擬試驗手段實現(xiàn)了特種車輛整車性能及其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能的虛擬試驗，獲取車輛關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)，通過開展某型特種車平順性虛擬試驗驗證了該系統(tǒng)的使用可靠性以及模型合理性。

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

（3）基于VR技術(shù)建立了虛擬現(xiàn)實場景，包括虛擬車輛和虛擬環(huán)境，根據(jù)動力學(xué)模型得到的仿真結(jié)果驅(qū)動汽車在虛擬場景中運行，實現(xiàn)了車輛在不同工況條件下的虛擬試驗可視化。