基于虛擬試驗臺的汽車道路模擬試驗教學(xué)改革研究

董紅亮，來飛，陳勇，高書娜

基于虛擬試驗臺的汽車道路模擬試驗教學(xué)改革研究

董紅亮1，來飛1，陳勇1，高書娜2

（1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶市 400054；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

針對高校普遍缺乏道路模擬試驗臺硬件設(shè)備而無法開展道路模擬試驗技術(shù)領(lǐng)域教學(xué)的現(xiàn)狀，論文采用虛擬試驗臺技術(shù)，建立試驗臺多體動力學(xué)模型，進(jìn)行道路模擬試驗教學(xué)。突破硬件條件限制，實現(xiàn)人手一臺虛擬試驗臺，滿足學(xué)生實際操作鍛煉的需求。通過案例式教學(xué)，將復(fù)雜的信號處理技術(shù)、道路模擬試驗理論融入虛擬試驗臺，顯著提示學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)技術(shù)能力。

虛擬試驗臺；道路模擬試驗；多體動力學(xué)；教學(xué)改革

引言

汽車道路模擬試驗由于高效率、高精度、高重復(fù)性等優(yōu)勢，在各大汽車企業(yè)、科研院所獲得了非常廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)有20余家企業(yè)的道路模擬試驗設(shè)備投入都超過1億元。汽車企業(yè)對道路模擬試驗工程師的人才需求日益增加，然而由于道路模擬試驗設(shè)備昂貴，大多數(shù)高校由于條件限制難以有效開展道路模擬試驗技術(shù)的教學(xué)，導(dǎo)致這方面人才缺口較大。

為解決上述問題，我院教學(xué)團(tuán)隊通過虛擬試驗臺技術(shù)，建立了道路模擬試驗臺的多體動力學(xué)模型和整車多體動力學(xué)模型。基于道路模擬試驗理論，利用道路模擬仿真軟件開展基于虛擬試驗臺的道路模擬試驗。其中學(xué)生全過程參與虛擬道路模擬試驗的各個環(huán)節(jié)，包括虛擬路譜采集、數(shù)據(jù)編輯、頻率響應(yīng)函數(shù)求解、虛擬路譜迭代等。

下文主要分為四個部分：（1）簡述汽車道路模擬試驗技術(shù)的基本原理，并分析該項技術(shù)各個環(huán)節(jié)的教學(xué)難點及需要的教學(xué)條件等；（2）基于虛擬試驗臺技術(shù)，指導(dǎo)學(xué)生建立虛擬試驗臺多體動力學(xué)模型等，綜合運用數(shù)字信號處理技術(shù)、道路模擬試驗技術(shù)等，針對某轎車開展虛擬道路模擬試驗；（3）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了桌面級的道路模擬試驗臺的開發(fā)；（4）分析了此次教學(xué)改革實踐對提升學(xué)生解決復(fù)雜問題能力、工程實踐能力的作用。

1 汽車道路模擬試驗技術(shù)

1.1 概述

汽車疲勞耐久試驗按照試驗場所可分為3類，分別為用戶道路試驗、試驗場道路試驗、實驗室道路模擬試驗。用戶道路試驗即按照用戶的實際使用工況在用戶道路上開展的疲勞耐久試驗，其最大的優(yōu)點是能夠較好地反映實際工況，其缺點主要有試驗周期長、成本高、可重復(fù)性差等。試驗場道路試驗是按照一定的試驗規(guī)范在試驗場的強(qiáng)化耐久路面上開展的疲勞耐久試驗，其優(yōu)點是大大縮短試驗周期、試驗可重復(fù)性高、一致性好，其缺點是容易受到試驗場地、天氣、駕駛員等因素影響。道路模擬試驗是利用道路模擬試驗技術(shù)，通過試驗臺對被試對象施加載荷激勵，模擬被試對象在試驗場上的運動狀態(tài)。其優(yōu)點是能夠更進(jìn)一步的縮短試驗時間，試驗可重復(fù)性、一致性更高，不受環(huán)境、駕駛員、試驗場地等因素影響。這三類試驗方法的優(yōu)缺點對比如圖1所示。

圖1 三種疲勞耐久試驗方法的對比

由于汽車道路模擬試驗的顯著優(yōu)點，其在國內(nèi)外獲得了非常廣泛的應(yīng)用[1-3]。典型的道路模擬試驗設(shè)備主要有美國MTS公司的四立柱（Four Poster）、六自由度振動臺（Multi- axial Simulation Table, MAST），軸耦合式道路模擬試驗機(jī)（圖2）等。道路模擬試驗設(shè)備主要以進(jìn)口為主，一臺設(shè)備的價格大概為600萬～3 000萬人民幣。國內(nèi)高校大多沒有足夠的經(jīng)費采購該設(shè)備，不具備開展道路模擬試驗技術(shù)教學(xué)的硬件條件。按照全國汽車行業(yè)道路模擬試驗領(lǐng)域新增設(shè)備和工程師人員更新估算，每年的人才需求缺口高達(dá)500～1 000人。因此，如何在高校開展道路模擬試驗技術(shù)教學(xué)，滿足企業(yè)人才需求，是該技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題。

圖2 美國MTS公司的軸耦合式道路模擬試驗機(jī)

1.2 汽車道路模擬試驗技術(shù)原理

從20 世紀(jì) 60 年代，隨著液壓技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，國外在道路模擬試驗技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。1977 年美國 MTS 公司推出遠(yuǎn)程參數(shù)控制技術(shù)（Remote Parameter Control, RPC），該項道路模擬試驗技術(shù)主要包括路譜采集、數(shù)據(jù)編輯、頻率響應(yīng)函數(shù)測試、時域路譜迭代、臺架耐久測試等步驟（如圖3所示）。1979年德國Shenck公司推出轉(zhuǎn)換函數(shù)的迭代補(bǔ)償技術(shù)（Iterative Transfer Function Compensation, ITFC），1987 年美國Instron公司推出迭代卷積控制技術(shù)（Iterative Decon- volution Control, IDC）。隨著這些技術(shù)的出現(xiàn)，道路模擬試驗就在世界范圍內(nèi)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。

圖3 道路模擬試驗技術(shù)原理

1.2.1路譜采集

為了將試驗場道路試驗移植到試驗室臺架上，就需要記錄試驗場路面作用到被試對上的載荷激勵。由于路面對被試對象的激勵難以直接采集，一般采集被試對象在路面激勵下的響應(yīng)信號，例如車輪六分力信號、軸頭加速度、懸架位移、簧載質(zhì)量加速度等。因此，路譜采集工作就是記錄被試對象在試驗場路面上行駛時，路面激勵作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)。路譜采集設(shè)備的成本相對較低，路譜采集技術(shù)的教學(xué)相對容易在學(xué)校開展。

1.2.2數(shù)據(jù)編輯

通過路譜采集得到的原始路譜數(shù)據(jù)通常無法直接用于道路模擬試驗，需要進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理編輯工作，包括時域剪輯、重采樣、通道提取、去均值、去零漂、濾波等。數(shù)據(jù)編輯技術(shù)的教學(xué)，只需要數(shù)據(jù)編輯處理軟件，也比較容易在高校開展。

1.2.3頻率響應(yīng)函數(shù)測試

為了通過試驗臺液壓缸的激勵使得被試對象的響應(yīng)與路譜采集時一致，需要得到被試對象響應(yīng)通道與作動缸激勵通道之間的頻率響應(yīng)函數(shù)。通常對作動缸施加一段隨機(jī)激勵信號，記錄該隨機(jī)激勵信號作用下被試對象響應(yīng)通道的響應(yīng)，通過響應(yīng)與激勵的互功率譜G()、激勵的自功率譜G()計算系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)()=G()/G()。這部分內(nèi)容的教學(xué)，需要用到昂貴的道路模擬試驗設(shè)備，在沒有硬件設(shè)備的前提下，僅通過理論教學(xué)，效果會大打折扣。

1.2.4時域路譜迭代

圖4 時域路譜迭代過程

針對路譜采集的響應(yīng)信號即目標(biāo)信號，利用試驗臺作動缸激勵通道與被試件響應(yīng)通道之間的頻率響應(yīng)函數(shù)的逆函數(shù)_()，可以計算得到作動缸的首次驅(qū)動信號0(式1)。在試驗臺上播放該首次驅(qū)動信號0，得到被試件的首次響應(yīng)信號0，將目標(biāo)信號與首次響應(yīng)信號0相減得到首次誤差信號0。將首次誤差信號0乘以頻率響應(yīng)函數(shù)的逆函數(shù)，得到第二步的驅(qū)動信號的修正量，將修正量累加到首次驅(qū)動0即得到第二步的驅(qū)動信號1(式2)。依次進(jìn)行下去，可根據(jù)上一步的誤差信號，得到下一步的驅(qū)動信號。時域路譜迭代過程如圖4所示，這部分內(nèi)容的教學(xué)，同樣需要用到昂貴的道路模擬試驗設(shè)備，僅通過理論教學(xué)，效果欠佳。

0=×_() （1）

Drv=Drv－1＋Err－1×_() （2）

1.2.5臺架耐久測試

針對試驗場采集得到多個目標(biāo)信號進(jìn)行時域路譜迭代，分別得到各個目標(biāo)信號對應(yīng)的驅(qū)動文件，將驅(qū)動文件按照試驗規(guī)范要求，編制試驗循環(huán)，在試驗臺上連續(xù)播放驅(qū)動文件，開展臺架耐久試驗。

2 基于虛擬試驗臺的道路模擬試驗

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，昂貴的硬件條件的制約則有了突破性的解決方案。李偉豪[4]開展了車輛工程專業(yè)在傳統(tǒng)+模擬仿真實驗教學(xué)方面進(jìn)行整合與優(yōu)化，借助虛擬仿真實驗教學(xué)，解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的不足；傅楚青等[5]探討了虛擬仿真軟件在高校新能源車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)中遇到的問題及改進(jìn)措施。因此，本文以虛擬四立柱試驗臺為例，開展道路模擬試驗技術(shù)的教學(xué)。

2.1 虛擬四立柱試驗臺及整車多體動力學(xué)建模

四立柱試驗臺主要包括4個垂向布置的液壓缸及配套的伺服閥、油管、油源等部件組成。在不考慮液壓系統(tǒng)特性的前提下，虛擬四立柱試驗臺只需要建立4個垂向布置的液壓缸即可，液壓缸的活塞和托盤作為一個運動部件，與缸筒（或地面）通過移動副約束。MSC公司的ADAMS軟件中提供了虛擬四立柱的模型，如圖5所示。由于該四立柱模型只能實現(xiàn)對車輛的垂向、俯仰、側(cè)傾、扭曲等4種激勵，無法施加隨機(jī)路譜激勵。因此，修改四立柱模型的宏命令，使其能夠輸入隨機(jī)路譜。

圖5 虛擬四立柱及整車模型

ADAMS/Car模塊中提供了各種汽車子系統(tǒng)的模板，如前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車身等。因此，只需選擇合適子系統(tǒng)模板，并且修改各個子系統(tǒng)的硬點坐標(biāo)、模型參數(shù)等即可搭建一個完整的整車多體動力學(xué)仿真模型。圖6為利用ADAMS軟件模板搭建的虛擬四立柱試驗臺和整車多體動力學(xué)模型。

圖6 實車路譜采集和虛擬路譜采集

2.2 虛擬路譜采集

路譜采集工作涉及數(shù)字信號處理的一些基礎(chǔ)理論和概念，例如采樣率、幀、數(shù)據(jù)點數(shù)、傅里葉變換、時域采樣、頻率采樣、混疊等。這些理論相對較難，并且比較枯燥，僅僅通過課堂理論教學(xué)，學(xué)生掌握的效果不太理想。因此，將這些理論知識應(yīng)用到實車路譜采集或者虛擬路譜采集的過程中，學(xué)生能夠得到直觀的認(rèn)識，更深入掌握相關(guān)理論。

通過實車路譜采集的實踐教學(xué)，學(xué)生可以掌握常用傳感器、采集設(shè)備的操作方法，培養(yǎng)查看、分析數(shù)據(jù)的能力。通過虛擬路譜采集的教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生搭建虛擬數(shù)字路面，設(shè)置測量通道并進(jìn)行多體動力學(xué)仿真，得到虛擬數(shù)字路面激勵下的路譜數(shù)據(jù)。多體動力學(xué)模型可以分發(fā)給全部學(xué)生，每人都可以獨立進(jìn)行虛擬路譜采集，可以極大地提高學(xué)生的參與度。

2.3 數(shù)據(jù)編輯

路譜數(shù)據(jù)編輯也涉及較多的數(shù)字信號處理的知識，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)剪切合并、濾波、重采樣、頻譜分析等。可借助商業(yè)軟件，針對典型的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯的教學(xué)。學(xué)生可在實際的路譜數(shù)據(jù)案例中，分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的問題，了解道路模擬試驗對路譜數(shù)據(jù)的要求，掌握常用的路譜數(shù)據(jù)編輯方法。例如，圖7所示的信號存在明顯的零漂現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的原因可能是傳感器受到溫度、濕度等影響產(chǎn)生了零點漂移。信號的零漂或趨勢項的頻率成分主要集中在低頻，因此可以通過高通濾波，將低頻的零漂或趨勢項濾掉。通過這樣的案例，學(xué)生能識別出信號存在的問題，并分析出造成該問題的可能原因，并且能夠靈活運用信號處理的理論、工具解決上述問題。

圖7 存在零漂的時域信號

2.4 虛擬頻率響應(yīng)函數(shù)測試

頻率響應(yīng)函數(shù)測試涉及頻譜分析、功率譜密度函數(shù)估計、頻響函數(shù)計算等理論知識。利用虛擬四立柱和整車模型，可進(jìn)行虛擬試驗臺的頻率響應(yīng)函數(shù)測試。首先，設(shè)定隨機(jī)激勵信號的自功率譜曲線ASD，并利用隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器，根據(jù)該ASD曲線生成一段時域隨機(jī)信號；其次，將該隨機(jī)信號施加到虛擬四立柱試驗臺，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，得到響應(yīng)的時域信號，并計算響應(yīng)信號的自功率譜密度RSD，計算響應(yīng)信號和激勵信號的互功率譜密度CSD；最后，計算得到頻率響應(yīng)函數(shù)。

圖8 頻率響應(yīng)函數(shù)計算

結(jié)合虛擬試驗臺，可以更深入地講解頻率響應(yīng)函數(shù)的理論，如幅值譜、相位譜的物理意義，共振時的頻譜特征，通道之間的耦合性等。可分析加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)信號、應(yīng)變信號等不同類型傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)特性，及道路模擬試驗精度的影響。通過虛擬試驗臺，可以將復(fù)雜的理論知識融入實際的工程案例中，并且每個學(xué)生都可以親自動手操作練習(xí)，其學(xué)習(xí)效果明顯高于純理論教學(xué)。

2.5 虛擬時域路譜迭代

時域路譜迭代主要涉及頻率響應(yīng)函數(shù)求逆、利用頻率響應(yīng)函數(shù)的逆函數(shù)、目標(biāo)信號求解驅(qū)動信號的理論。利用虛擬試驗臺和商業(yè)迭代軟件，可以方便地開展虛擬時域路譜迭代。通過單個車輪的迭代誤差曲線可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，響應(yīng)信號和目標(biāo)信號的RMS誤差越來越小，迭代次數(shù)達(dá)到10次時，RMS誤差小于10%，說明虛擬迭代已經(jīng)達(dá)到了較高的迭代精度（圖9）。

圖9 迭代誤差

從單個車輪迭代后的響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的時域?qū)Ρ纫部梢钥闯觯憫?yīng)信號與目標(biāo)信號吻合很好。說明通過道路模擬試驗得到的被試件的響應(yīng)與路譜采集時的響應(yīng)吻合很好，從而驗證了虛擬道路模擬試驗技術(shù)的有效性。

圖10 響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的對比

利用虛擬試驗臺，可以快速地完成虛擬道路模擬試驗。將艱澀的數(shù)字信號處理理論知識、復(fù)雜的道路模擬試驗技術(shù)的工程經(jīng)驗融入可視化的虛擬平臺，提高學(xué)生的參與度，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.6 虛擬臺架耐久測試

利用虛擬試驗臺，完成虛擬道路模擬試驗后，可提取關(guān)鍵部件的載荷，作為有限元模型的載荷輸入，進(jìn)行疲勞分析。這一部分內(nèi)容涉及較多的有限元知識，不再展開敘述。

3 桌面級道路模擬試驗臺開發(fā)

進(jìn)口道路模擬試驗設(shè)備涉及精密的液壓伺服閥、作動缸等部件，成本高昂，大多數(shù)高校沒有足夠的經(jīng)費預(yù)算采購相應(yīng)的設(shè)備。僅從道路模擬試驗教學(xué)的目的出發(fā)，只要能夠提供可控的直線運動即可滿足道路模擬試驗的硬件要求。可以采用工業(yè)上廣泛應(yīng)用的直線電機(jī)來代替液壓缸，搭建教學(xué)用的道路模擬試驗臺。圖11為本課程組老師指導(dǎo)的學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊搭建的桌面級道路模擬試驗機(jī)。該試驗機(jī)主要包括以下幾個部分，直線電機(jī)初級、次級、導(dǎo)軌、光柵尺、托盤、驅(qū)動器、開關(guān)電源等。將隨機(jī)路譜位移驅(qū)動信號輸入到直線電機(jī)驅(qū)動器即可控制直線電機(jī)按照隨機(jī)路譜進(jìn)行運動。通過該試驗臺的搭建，創(chuàng)新團(tuán)隊的學(xué)生能夠掌握更多涉及硬件、控制、軟件開發(fā)等方面的知識，鍛煉實際動手操作、解決問題的能力。

圖11 桌面級道路模擬試驗臺

4 結(jié)論

基于虛擬試驗臺開展汽車道路模擬試驗教學(xué)，能夠?qū)?fù)雜的數(shù)字信號處理知識、道路模擬試驗原理等融入實際的工程案例中，極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度，避免枯燥乏味的純理論教學(xué)。通過桌面級道路模擬試驗臺的開發(fā)，能夠更進(jìn)一步地鍛煉學(xué)生的實踐能力、利用已有知識體系解決復(fù)雜工程問題的能力。本文利用虛擬仿真技術(shù)，突破硬件條件限制，將行業(yè)急需的技術(shù)引入課堂教學(xué)，開展了工程教育背景下教學(xué)改革的探索和嘗試。

[1] 宮海彬,姚烈.室內(nèi)臺架道路模擬試驗技術(shù)發(fā)展綜述[J].汽車工程學(xué)報,2018,8(01):72-78.

[2] 白學(xué)文,齊志會,吳艷,等.道路模擬試驗技術(shù)在新能源汽車開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].振動與沖擊,2019,38(06):83-87+113.

[3] 錢立軍,吳道俊,楊年炯,等.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗的研究[J].汽車工程,2011,33(02):91-96.

[4] 李偉豪.車輛工程專業(yè)傳統(tǒng)與模擬仿真實驗教學(xué)整合與優(yōu)化[J].中國教育技術(shù)裝備,2020(16):119-122.

[5] 傅楚青,傅顯峰,燕寧寧,等.虛擬仿真軟件在高校新能源車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2020(01):263-264.

The Teaching Reform of Automotive Road Simulation Test Based on Virtual Test Bench

DONG Hongliang1, LAI Fei1, CHEN Yong1, GAO Shuna2

( 1.College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054;2.College of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715 )

Due to the limitation of road simulation test equipment, most of high schools could not perform education effectively on road simulation test technology. By means of virtual test bench, dynamic model of test bench is build up. The limitations of hardware are breaking through, and each student can have one virtual test bench for practice. Through project-based teaching, complicated signal processing technology and road simulation test theory are integrated into virtual test bench, students’ motivation are greatly inspired, and their professional technical capabilities and engineering capabilities are cultivated.

Virtual test bench; Road simulation test; Dynamic model; Teaching reform

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.048

G642.423

A

1671-7988(2021)21-179-05

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董紅亮（1979—），男，高級工程師、博士，專任教師，就職于重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，研究方向：汽車道路模擬試驗技術(shù)。

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項目（編號：203334），重慶市雛鷹計劃項目（編號：CY210908）。