面向綜合性能評(píng)估的特種車輛虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jìn)行機(jī)動(dòng)和發(fā)射的重要平臺(tái)[1]，實(shí)際使用工況復(fù)雜多樣，其機(jī)動(dòng)性、平順性、行駛安全性等綜合性能對(duì)武器系統(tǒng)的性能影響重大，對(duì)特種車輛系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的綜合性能分析評(píng)估的需求十分迫切。但是，實(shí)物試驗(yàn)所具有的成本高、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、樣本不足等缺點(diǎn)[2]嚴(yán)重制約了特種車輛的研制開發(fā)過(guò)程。虛擬試驗(yàn)是現(xiàn)代軍事仿真領(lǐng)域一項(xiàng)重要的研究方向，它是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的一個(gè)數(shù)字化模擬試驗(yàn)過(guò)程，以虛擬數(shù)字樣機(jī)代替真實(shí)物理樣機(jī)，如同在真實(shí)環(huán)境中完成預(yù)定試驗(yàn)分析，取得的試驗(yàn)效果等價(jià)于在真實(shí)環(huán)境中所獲得的效果[3]。通過(guò)虛擬試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы档臀淦餮兄瞥杀荆s短研制和試驗(yàn)周期。因此，采用虛擬試驗(yàn)方法將試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)前移，通過(guò)設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)，迭代改進(jìn)模型，最后進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，能夠大大降低特種車輛的研制風(fēng)險(xiǎn)并縮短研制周期。

世界上的主要先進(jìn)國(guó)家自20世紀(jì)60年代起在虛擬試驗(yàn)和仿真技術(shù)方面都進(jìn)行了大量的研究，并建立了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)支撐體系結(jié)構(gòu)及虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的研制開發(fā)。如美國(guó)的TENA平臺(tái)[4]，俄羅斯的光電環(huán)境仿真試驗(yàn)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(shí)踐中。我國(guó)各研究院所和高校研制的HIT-TENA[5]、KD-HLA[6]、VITA[7]等虛擬試驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)及組件也在不斷取得進(jìn)步，但工程實(shí)用方面還與先進(jìn)國(guó)家存在一定差距。

車輛虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)車輛開發(fā)有重要意義。王國(guó)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)。丁盼盼[2]基于ADVISOR和VRML開發(fā)了電動(dòng)汽車性能仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。

本研究以虛擬樣機(jī)建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特種車輛虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)，包含車輛動(dòng)力學(xué)模型、平順性虛擬試驗(yàn)臺(tái)模型、試驗(yàn)有效性評(píng)估模型、三維視景及實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠完成特種車輛機(jī)動(dòng)性、平順性、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、力學(xué)環(huán)境等虛擬試驗(yàn)測(cè)試，為多軸特種車輛的設(shè)計(jì)研制以及綜合性能評(píng)估提供有效的研究手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

特種車輛虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)旨在完成從樣機(jī)建立、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)評(píng)估的虛擬試驗(yàn)全過(guò)程，從流程、方法、內(nèi)容等方面與實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行虛實(shí)對(duì)比，達(dá)到以虛輔實(shí)、以虛預(yù)實(shí)的作用。本系統(tǒng)基于多體動(dòng)力學(xué)理論和ADAMS軟件構(gòu)建車輛動(dòng)力學(xué)模型，基于VL Motion軟件構(gòu)建振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模型，基于有限元分析理論和ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，利用3DS MAX + Virtools軟件構(gòu)建車輛三維視景及實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制模型，基于動(dòng)力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)處理方法與Matlab軟件進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)有效性評(píng)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(yàn)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(tái)為人機(jī)交互界面的開發(fā)環(huán)境，在后臺(tái)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(jī)建模、仿真試驗(yàn)運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理以及評(píng)估計(jì)算，采用3DS MAX和Virtools軟件作為虛擬車輛驅(qū)動(dòng)和虛擬場(chǎng)景可視化的開發(fā)平臺(tái)，用于進(jìn)行機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程可視化虛擬試驗(yàn)。

本系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）以試驗(yàn)向?qū)Х绞秸{(diào)用本系統(tǒng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)過(guò)程中各類數(shù)據(jù)和信息的交互、傳遞以及試驗(yàn)流程的推進(jìn)，對(duì)虛擬試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行靈活有效的管理。

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

（3）實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)樣機(jī)模型的功能檢查以及性能校核。

（4） 針對(duì)不同類型的虛擬試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)配置，生成虛擬試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)記錄表和試驗(yàn)大綱，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)過(guò)程規(guī)范化管理。

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

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

（7）基于特種車輛使用流程的模擬需求，實(shí)現(xiàn)車輛機(jī)動(dòng)運(yùn)輸虛擬試驗(yàn)的三維可視化顯示。

（8）基于裝車設(shè)備力學(xué)環(huán)境驗(yàn)證及力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計(jì)需求，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（9）基于實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)樣機(jī)模型以及虛擬試驗(yàn)的有效性評(píng)估，為用戶決策及定量評(píng)估分析提供參考。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

圖 2 虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行流程

通過(guò)本研究開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行車輛虛擬試驗(yàn)的流程如圖 2所示，系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是將試驗(yàn)主要階段的各項(xiàng)工作，包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)結(jié)果處理與評(píng)估的內(nèi)容通過(guò)計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)移植到桌面，將實(shí)物試驗(yàn)的過(guò)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(jī)建立模塊

本模塊由參數(shù)配置子模塊和樣機(jī)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(yàn)需求確定虛擬樣機(jī)類型，并進(jìn)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(jī)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(jī)所需的各類參數(shù)，軟件界面通過(guò)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(yǔ)法遵從ADAMS軟件的*.cmd命令語(yǔ)法格式。樣機(jī)裝訂子模塊根據(jù)各子系統(tǒng)模型參數(shù)，完成虛擬試驗(yàn)樣機(jī)模型的整體裝配。該模塊功能的核心算法通過(guò)Matlab軟件環(huán)境編程實(shí)現(xiàn)[11]，并編譯為可執(zhí)行文件由虛擬試驗(yàn)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(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)載的質(zhì)量質(zhì)心、安裝位置等參數(shù)。

2.2 虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊

本模塊由試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)子模塊、測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)子模塊、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置子模塊組成，主要功能為對(duì)特種車輛樣機(jī)模型的技術(shù)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行提取和整理，形成虛擬試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)記錄表，并對(duì)虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；根據(jù)虛擬試驗(yàn)內(nèi)容，確定測(cè)試參數(shù)和測(cè)試點(diǎn)位置，設(shè)置傳感器參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)；對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)工況、測(cè)點(diǎn)位置、傳感器參數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總形成虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)文檔，作為后續(xù)試驗(yàn)依據(jù)。

2.3 虛擬試驗(yàn)?zāi)K

2.3.1 平順性虛擬試驗(yàn)?zāi)K

本模塊主要功能是生成道路激勵(lì)，用于整車平順性分析。道路激勵(lì)的生成方式有兩種：一是構(gòu)造路面文件，可以通過(guò)對(duì)路面不平度空間功率譜密度進(jìn)行反變換得到，或采用試驗(yàn)場(chǎng)路面譜數(shù)據(jù)構(gòu)造。二是構(gòu)建虛擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，以道路模擬試驗(yàn)技術(shù)基本理論為基礎(chǔ)獲取車輛激勵(lì)信號(hào)，以下對(duì)振動(dòng)臺(tái)模型進(jìn)行說(shuō)明。

該模型由臺(tái)架基礎(chǔ)子模型和作動(dòng)器子模型組成，一個(gè)六立柱車輛道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架模型如圖 3所示，更多通道試驗(yàn)臺(tái)模型可通過(guò)作動(dòng)器子模型方式擴(kuò)展而成。

圖 3 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架模型

車輛平順性虛擬試驗(yàn)采用道路模擬試驗(yàn)技術(shù)的基本理論，通過(guò)復(fù)現(xiàn)車輛行駛過(guò)程中所承受的道路激勵(lì)而對(duì)車輛模型開展虛擬試驗(yàn)，獲取駕駛室、底盤和上裝關(guān)鍵部位的運(yùn)輸過(guò)程振動(dòng)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(yàn)領(lǐng)域最常用的時(shí)域波形再現(xiàn)（TWR）技術(shù)[12]進(jìn)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(hào)

根據(jù)本型號(hào)或相近車型實(shí)車道路測(cè)試獲取被試系統(tǒng)關(guān)注位置的響應(yīng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲得進(jìn)行道路模擬虛擬試驗(yàn)的參考信號(hào)。

2.3.1.2 被試系統(tǒng)頻響函數(shù)辨識(shí)

采用白噪聲或粉白噪聲信號(hào)對(duì)被試系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，根據(jù)采集得到的響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行辨識(shí)，獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

2.3.1.3 計(jì)算初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)

根據(jù)參考信號(hào)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(hào)譜，經(jīng)過(guò)傅立葉反變換和隨機(jī)相位處理后，得到時(shí)域的初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.3.1.4 迭代過(guò)程

用驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)被試系統(tǒng)，并測(cè)量響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)響應(yīng)信號(hào)與期望信號(hào)的偏差和系統(tǒng)頻響函數(shù)修正并不斷更新驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直到誤差滿足精度要求，迭代過(guò)程結(jié)束。迭代結(jié)束時(shí)獲取的驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于后續(xù)試驗(yàn)。

2.3.2 機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程可視化模塊

本模塊的功能是將虛擬試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，便于對(duì)虛擬試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)控。本模塊采用NX UG+3ds Max+Virtools的方式開發(fā)運(yùn)輸環(huán)境和車輛的三維可視化模型，采用VSL腳本語(yǔ)言編程完成機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中特種車輛加速度、速度、位置、姿態(tài)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)解算，利用Virtools軟件的行為互動(dòng)模塊（Building Blocks）對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)[13]，對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)特性信息以及用戶對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的交互控制進(jìn)行全方位可視化展示，如圖 4所示。

圖 4 機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程可視化模型

2.4 試驗(yàn)評(píng)估模塊

2.4.1 試驗(yàn)評(píng)估模塊功能

本模塊主要通過(guò)虛擬試驗(yàn)結(jié)果與理論分析或?qū)嵻嚋y(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，考察理論分析或?qū)嶋H物理過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)與虛擬試驗(yàn)結(jié)果的一致性，給出定性或定量評(píng)估結(jié)論，為整車或部件方案設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。本模塊包含基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、評(píng)估方法選擇、評(píng)估指標(biāo)設(shè)置、評(píng)估計(jì)算及評(píng)估結(jié)果顯示等基本功能。

2.4.2 試驗(yàn)評(píng)估模塊建模方法

常用的數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)方法[14]見表 1，下面對(duì)本模塊建模使用的TIC法、灰度關(guān)聯(lián)法和K-S檢驗(yàn)法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

表 1 常用數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)方法

2.4.2.1 TIC法

TIC法以一個(gè)具體的值給出兩個(gè)時(shí)間序列的差異程度。設(shè)N為采樣點(diǎn)數(shù)，時(shí)間序列yi和xi(i=1, 2,…,N)分別表示實(shí)際系統(tǒng)的輸出和虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮敵觯瑒tTIC值定義為：

TIC是一個(gè)位于[0，1]之間的數(shù)，當(dāng)TIC接近于1時(shí)，表示兩個(gè)時(shí)間序列的不同程度很大。

當(dāng)有多個(gè)輸出變量存在時(shí)，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(shí)間序列的長(zhǎng)度及其統(tǒng)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，因此只能對(duì)數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行定性判斷，只適用于精度不高的場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中，當(dāng)TIC值小于0.3時(shí)，可簡(jiǎn)單地認(rèn)為虛擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車測(cè)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(guò)對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)列幾何關(guān)系的比較來(lái)分析多因素?cái)?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(guò)分析虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)與各可信等級(jí)的特征數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度來(lái)判斷虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，進(jìn)而評(píng)估虛擬試驗(yàn)的有效性。灰度關(guān)聯(lián)法將評(píng)估等級(jí)分為很可信、較可信、可信、不可信、很不可信5個(gè)等級(jí)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)類型的不同，評(píng)估等級(jí)的誤差按照表 2所列數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。

表 2 灰度關(guān)聯(lián)法誤差等級(jí)

2.4.2.3 K-S檢驗(yàn)法

K-S檢驗(yàn)法基于經(jīng)驗(yàn)分布是理論分布相容估計(jì)的原則，它用于描述兩個(gè)獨(dú)立統(tǒng)計(jì)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(yàn)次數(shù)較少的場(chǎng)合。K-S檢驗(yàn)法的評(píng)估精度與顯著性水平相關(guān)，一般情況下顯著性指標(biāo)選擇為0.05或0.1。

假設(shè)Xi(i= 1, 2, …,n1)是來(lái)自于分布函數(shù)F(x)的總體X中的樣本，Yi(i= 1, 2, …,n2)是來(lái)自于分布函數(shù)G(x)的總體Y中的樣本，且兩個(gè)樣本互相獨(dú)立。對(duì)于假設(shè)檢驗(yàn)，則：

當(dāng)F(x) =G(x)且F(x)為連續(xù)函數(shù)時(shí)可計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Dn的精確分布，當(dāng)樣本數(shù)很大時(shí)，有：

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)量Dn進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，當(dāng)樣本數(shù)n＜100時(shí)，對(duì)于給定的水平α，查表得臨界值Dn,α，使得：

當(dāng)樣本數(shù)n＞100時(shí)，查表得到給定水平α下的λ1?α，根據(jù)下式計(jì)算Dn,α：

對(duì)于不同類型試驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，需要選擇不同的評(píng)估方法。特種車輛在機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、車載設(shè)備力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)等過(guò)程中所產(chǎn)生的大部分測(cè)量數(shù)據(jù)滿足平穩(wěn)隨機(jī)假設(shè)。由于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的多次測(cè)試數(shù)據(jù)在時(shí)間歷程上不具有可比性，但其統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間無(wú)關(guān)，所以對(duì)于這類數(shù)據(jù)，可以從分布情況和時(shí)域統(tǒng)計(jì)值方面進(jìn)行評(píng)估，也可以對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

3 虛擬試驗(yàn)實(shí)例

3.1 計(jì)算模型與計(jì)算流程

以某8軸重型特種車輛為例，該車的動(dòng)力學(xué)模型主要由底盤、上裝、負(fù)載等組成，負(fù)載與車體通過(guò)車架回轉(zhuǎn)軸和前托座相連，進(jìn)行平順性虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)流程如圖 5所示。

圖 5 平順性虛擬試驗(yàn)流程

3.2 試驗(yàn)評(píng)估

該車在汽車試驗(yàn)場(chǎng)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(dòng)加速度、位移等信號(hào)的測(cè)量。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取平坦路面、車速30 km/h工況下的測(cè)試結(jié)果作為虛擬試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實(shí)測(cè)過(guò)程中車輛本身包含發(fā)動(dòng)機(jī)等高頻激勵(lì)因素，而動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化時(shí)僅考慮路面激勵(lì)的影響而忽略其它激勵(lì)，因此虛擬試驗(yàn)結(jié)果僅包含低頻激勵(lì)。為便于虛實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)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(duì)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(duì)比

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，提取車輛底盤各車橋上支耳、負(fù)載前托座和回轉(zhuǎn)軸等共10處位置的振動(dòng)加速度的3次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)提取相同工況的虛擬試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算3次測(cè)試平均和虛擬試驗(yàn)結(jié)果的均方根值，對(duì)比情況見表 3。通過(guò)與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，虛擬試驗(yàn)結(jié)果的誤差大部分在15%以內(nèi)，具有一定的準(zhǔn)確度。

表 3 平坦路面30 km/h試驗(yàn)結(jié)果均方根對(duì)比

3.2.3 有效性評(píng)估

對(duì)于上節(jié)提取的實(shí)車試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，由于評(píng)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(jí)選取“線性靜態(tài)數(shù)據(jù)”，K-S檢驗(yàn)法的顯著性水平設(shè)置為0.1。經(jīng)系統(tǒng)評(píng)估分析，TIC法得到的TIC指數(shù)為0.12，表明實(shí)車試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)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(jí)，K-S檢驗(yàn)法在給定顯著性水平的評(píng)估結(jié)果為“數(shù)據(jù)具有一致性”。

本研究對(duì)不同車速、不同路面條件車輛的運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)的虛實(shí)對(duì)比和試驗(yàn)有效性均進(jìn)行了分析，篇幅所限，不一一說(shuō)明。分析結(jié)果表明，開發(fā)的虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)能夠比較真實(shí)地模擬在實(shí)際道路上，車輛的運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，虛擬試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)樾卵行吞?hào)車輛方案的設(shè)計(jì)改進(jìn)、整車平順性分析、關(guān)鍵設(shè)備力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

4 結(jié)論

以面向特種車輛綜合性能評(píng)估為目標(biāo)，調(diào)研了虛擬試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)特性在特種車輛研制及性能評(píng)估過(guò)程中的需求，梳理了虛擬試驗(yàn)的流程及方法，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開發(fā)了特種車輛虛擬試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)。

（1）通過(guò)建立特種車輛虛擬試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，采用虛擬試驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)了特種車輛整車性能及其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的虛擬試驗(yàn)，獲取車輛關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)，通過(guò)開展某型特種車平順性虛擬試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析可知，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠較好地模擬車輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，底盤關(guān)鍵部位振動(dòng)響應(yīng)精度基本滿足工程使用需求。因此，在車輛實(shí)體進(jìn)行生產(chǎn)制造前，先期通過(guò)虛擬試驗(yàn)預(yù)示，可以不斷迭代修改模型，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，縮短研制周期，避免不必要的損失并降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

（3）基于VR技術(shù)建立了虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，包括虛擬車輛和虛擬環(huán)境，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型得到的仿真結(jié)果驅(qū)動(dòng)汽車在虛擬場(chǎng)景中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了車輛在不同工況條件下的虛擬試驗(yàn)可視化。