重型车辆虚拟试验平台的构建

【摘要】虚拟试验就是利用仿真技术、数字建模技术和软件集成技术等，根据物理原型建立起对应的虚拟样机，在虚拟环境中进行的试验.[1]可以看出，虚拟试验主要涉及3方面内容：试验设备和测试...

摘要： 虚拟试验是一种先进的计算机仿真技术，在虚拟环境中利用数字化样机代替物理样机，对产品的性能进行试验分析.构建一个虚拟试验平台，可以开发能够进行车辆的调试、检测及性能评估的虚拟环境，对于高效、低成本地进行产品研发起到相当重要的作用.通过分析重型车辆在设计过程中所涉及到的各种试验的类型及特点，提出一种构建虚拟试验平台功能的模式.该模式基本解决虚拟试验平台构建所面临的功能和结构问题.

关键词： 重型车辆； 虚拟试验； 计算机仿真

中图分类号： U462.3文献标志码： B

0引言

随着计算机软硬件技术的不断发展，数字化建模技术、数值计算理论等的不断成熟，一批以Patran和MSC Nastran等为代表的优秀工程分析软件相继问世，并逐渐在各类工程实践中得到广泛应用，工业设计能力有大幅提升.

虚拟试验就是利用仿真技术、数字建模技术和软件集成技术等，根据物理原型建立起对应的虚拟样机，在虚拟环境中进行的试验.[1]可以看出，虚拟试验主要涉及3方面内容：试验设备和测试仪器的模拟；试验对象的虚拟样机和仿真；试验环境的虚拟现实和仿真等.

1虚拟试验平台的必要性

重型车辆是个高度复杂，同时又要保证高度可靠性的机电系统，是一项大型的系统工程设计，表现为零部件种类繁多，建模及仿真迭代次数多，数据规模大，各子系统之间协调复杂.

传统试验方法由于其本身存在的不足，越来越制约车辆系统性能的提高，主要体现在以下几个方面.

（1）试验成本高，周期长.重型车辆是个复杂的试验对象，涉及机械、电磁、流体和材料等多学科领域.对这样一个复杂的试验对象，任何一项性能指标的验证都需要反复测试，无疑是个很耗时的过程.同时，重型车辆涉及的破坏性试验众多，每一项都需要投入巨大的人力、物力和财力.

（2）试验环境要求苛刻.重型车辆需要应付各种复杂环境，如高温、高寒、高海拔、山地和泥沼等.外场试验要完全再现各种复杂环境，有相当大的困难，试验人员的安全也存在重大隐患.恶劣环境还使得试验数据的采集难度加大，必然影响试验结果的准确性，影响故障分析.

在当今机械装备更新换代不断加速的背景下，实车试验的各种弊端越发明显，甚至已经严重制约重型车辆的研发进度，迫使科研人员必须找到一种能全面提升试验和评估能力的方法.以计算机仿真为核心的虚拟试验技术，恰是这样一种能大幅缩减研发时间的途径.构建一个功能齐全、高效运行的虚拟实验平台，能合理整合并有效配置当前的虚拟试验资源，同时协调各个科研人员的输入、输出，使各种虚拟试验统一成一个整体.这样的平台不仅能充分利用其中的每个虚拟试验完成工作，还能调用2个甚至多个虚拟试验完成协同仿真.

2虚拟试验平台的功能需求

虚拟试验平台是采用虚拟样机技术、虚拟现实技术和虚拟仪器技术等构建的软件系统平台，其整体构架以网络和数据库为基础，将当前工程CAD软件、计算机仿真软件、可视化软件和自行开发的各种工具集成起来.[2]这个平台所需达到的总体目标是：以现代先进的计算机技术为基础，借助业界公认的仿真工具为手段，建立符合重型车辆试验流程和规范的、柔性的、支持多任务、异地协同，具有高效的虚拟试验过程管理和虚拟试验数据库管理，具有虚拟试验验证与评估体系，能够实现与物理试验室数据交互的虚拟试验管理平台；还应能够根据研发需求，实现与物理试验对应的具有沉浸感的虚拟试验，对重型车辆性能进行模拟与预测，优化设计方案和物理试验方案.因此，这个平台需要实现以下几点功能：

（1）支持多任务、异地协同.当前的仿真目标有复杂化发展的趋势.一个问题的解决往往是个多输入、多输出的过程.一个设计人员的输出可能是另一个设计人员的输入，这就需要设计人员分工合作、协同完成，异地间的数据交换与传递不可避免.因此，该平台必须具备多任务、异地协同能力，才能使设计人员高效、有序地工作.

（2）具备集成化的虚拟试验流程及视景演示.重型车辆的每项物理试验都有相应的国标规范.虚拟试验以计算机仿真部分代替物理试验，对物理试验进行一个先验性分析判断，因而，虚拟试验也应按照相应标准合理进行.将试验流程集成在平台中，形成一个标准化的操作规程，就可避免因科研人员主观上对试验规程理解的不同而造成结果上的差异，提高虚拟试验的准确性.视景演示即虚拟现实，是一种创建和体验虚拟世界的计算机系统，具有3个重要特征：高度的沉浸感、高可信度和交互性.利用虚拟现实技术，计算机可以产生一个三维的虚拟环境，通过人的视觉、听觉和触觉作用于人，使人产生身临其境的感觉.[3]与传统的人机交互相比，虚拟现实能使科研人员对试验结果有一个更为直观的了解，在方案评估和演示验证中具有不可替代的作用.在平台中集成视景演示能帮助科研人员随时了解样机的状态，发现问题能及时做出调整.

（3）支持按项目、组织管理虚拟试验内容，具备高效的虚拟试验过程管理和数据库管理.重型车辆所涉及的虚拟试验项目众多，有可能多个型号同时在设计，科研人员也有可能同时参与几个项目.为避免各型号、各项目间的数据混淆，方便科研人员随时调用，平台的数据管理系统必须具备按项目、组织对数据进行管理的功能.

（4）具有标准化的虚拟试验验证与评估体系.一辆重型车辆虚拟样机的虚拟试验完成以后，需要对其做出一个定性的评判.这种评判不应该因人的不同而有所差异.这就需要根据相关标准制定一套合理的评估体系，对虚拟试验所涉及到的每一项指标做出评判，并最终根据各项指标的重要程度，对整车的综合性能做出评估.

（5）能实现与物理测试系统的数据交互.虚拟试验是物理试验的先验，但不能完全取代物理试验.重型车辆的最终定型还是要以物理试验为准.因而，为能更真实地模拟物理试验，虚拟试验必须实现与物理测试系统的交互.只有当所有重要的参数（如材料特性和载荷等）在实际物理测试中的变化能真实传递到虚拟试验中，虚拟试验才能更接近、更全面地反映物理试验，保证高可靠性.

3虚拟试验平台的功能架构

基于以上5个功能需求，重型车辆虚拟试验平台的构建可以分为虚拟试验环境管理系统、虚拟试验子系统、虚拟场景演示子系统和性能评估子系统等几个系统构成.这些系统相对独立，同时，又通过底层的虚拟试验数据库实现数据传递与交换，构成一个完整的平台.重型车辆虚拟试验平台功能框架见图1.

虚拟试验环境管理系统是平台的人机交互层，科研人员通过该系统实现对虚拟试验数据的操作以及对整个平台的管理.该系统应该分为以下几个部分：

（1）系统管理.该模块负责保障平台的安全运行，管理用户的账户密码和权限等.

（2）虚拟试验项目管理.该模块负责将各项虚拟试验按项目进行分类管理，监控每个项目的进展情况.

（3）虚拟试验流程管理.该模块将制定好的试验流程以模型树的方式呈现在操作界面.用户按照既定流程操作，有违规操作时发出错误警告.

（4）系统可视化管理.该模块主要处理与虚拟现实相关设备的数据传递.

（5）虚拟试验子系统管理.重型车辆试验涉及的项目众多，既有室内试验又有试验场试验.室内试验又分台架试验、流场试验和特种试验等.因此，有必要将虚拟试验按类型划分为数个子系统进行管理.

（6）虚拟试验报告管理.该模块提供重型车辆各项性能指标的评价标准，用于撰写虚拟试验可行性研究报告，并将报告归类存档管理.

虚拟试验子系统是平台的主体部分，实现平台的各项基本功能.该系统可分为输入模块、分析模块和评价模块等3部分.

（1）输入模块.该模块集成三维建模软件和有限元前处理软件，负责重型车辆数字化模型信息的输入.同时，依照试验要求读取材料、载荷和试验环境等数据库信息，针对不同的分析目的，构建出一个完整的虚拟样机模型.

（2）分析模块.该模块是整个平台的核心部分，通过工具调用接口，将针对不同试验的各种求解器集成在模块中，从而实现重型车辆从零部件到各分总成，最后到整车的各类虚拟试验以及虚拟现实.

（3）评价模块.该模块是试验后处理模块.接收分析模块传递过来的集成数据，对关心区域的数据进行分析，并依照底层数据库集成的性能评价标准对试验结果做一个客观的评估.根据评估结果，对不符合设计要求的局部提出修改建议，进行优化设计.同时，将试验结果和评估反馈到数据库中保存.

以上3个模块构成的虚拟试验子系统是平台的基本功能层.这些基本功能的实现需要底层工具层软件的支持，并调用数据库层的数据.底层的数据库除为试验子系统提供支持外，还需要与外部测试系统和试验数据管理系统相接，以便能实现数据的实时更新.人机交互层、基本功能层、工具层和数据库层通过接口层进行数据的相互传递，最终反映到用户操作界面上.各层相对独立又相互配合，构成完整的虚拟试验平台，具有很好的灵活性和开放性.体现出来就是用户通过导入模型、前处理、求解和后处理等的规范流程，实现各类虚拟试验的要求.

4虚拟试验平台的操作流程

虚拟试验平台的工作流程如下：

（1）向系统输入已经建立的车辆数字化模型和虚拟试验环境模型，或直接从数据库调入足够详尽的，包括试验各个子系统的状态参数，由系统生成车辆数字化模型和虚拟试验环境模型.

（2）从工程算法库以及集成的各种分析软件中选择合适的解决方案，进行虚拟试车中的数值计算，并实时获得分析结果.

（3）在虚拟试车过程中，进行全面的试验数据集成，实时给出试验过程数据.

（4）对试验数据进行进一步处理，对最终试验结果进行评估.

（5）对照设计目标，进行初始参数调整，重新进行新的试车，不断比较，得到最优方案，或者可考察参数敏感性，确定车辆系统关键设计参数.

（6）在批量虚拟试验的基础上，进行车辆可靠性评估和寿命预估研究.

重型车辆虚拟试验平台工作流程见图2.

5需要注意的几个问题

首先，支持整个平台运行的数据库必须完善.数据库资料直接影响管理系统和虚拟试验子系统，数据库资料的完善程度直接影响虚拟试验结果的准确性.因此，在平台构建前应该先建立相对完善的数据库，包括虚拟试验流程，各类虚拟试验涉及到的材料、载荷和工况，室内试验需要的试验台模型以及室外试验的环境等.同时，在后续的工作中不断用仿真数据和物理试验测试数据，不断丰富数据库，客观上使其有一个学习的过程，使仿真结果的准确性不断得到提高.

其次，需要有支持大规模运算的高性能计算平台.虚拟试验平台是个支持多用户同时在线工作的平台，且许多仿真计算的规模都达到数十万甚至上百万的节点规模.因此，仿真计算不应该在本地进行，而应该上传至一个高性能的计算平台上完成.这样不仅节省计算时间，提高工作效率，而且也方便不同用户间的数据共享.

最后，还需要注意软件版本的管理，不能轻易单独对某个软件进行升级.虚拟试验平台集成众多的工程软件.这些软件来自不同的开发公司，彼此间的数据传递受到软件版本的限制，因而不能轻易升级软件.否则，当一个软件升级到高版本，而与之协同的软件未升级，有可能导致彼此间的数据读取失败而不能进行协同仿真.最好的解决办法是每隔一定年限（如1年或3年）对所有软件的版本进行一次确认，对确有升级要求的软件以及应该升级到的版本号进行确认，在保证彼此间能正常工作的前提下，对系统进行全面升级.这样既保证系统的安全，又避免软件升级不当造成的资金的浪费.

6结束语

阐述构建虚拟试验平台的必要性，并针对重型车辆一般试验过程的共性提出重型车辆虚拟试验平台的结构体系和功能框架，初步解决虚拟试验系统构建所面临的功能与结构问题，探索一条构建重型车辆虚拟试验平台的途径.

重型车辆虚拟试验平台不仅可以在车辆方案设计阶段对其性能进行评估，还可以在其研制阶段部分或全部替代物理试验，并在可靠性评估和寿命预测方面发挥巨大作用.重型车辆虚拟试验平台可以实现重型车辆虚拟试验流程和仿真过程的规范化、自动化和标准化，必然极大地提升重型车辆的研发能力.

参考文献：

[1]王国全， 余群， 王大康. 虚拟试验技术[M]. 北京： 电子工业出版社， 2004.

[2]梁鹏程， 王中伟， 江振宇， 等. 虚拟试验技术及其在聚能战斗部中的应用研究[C]//中国航空学会航空动力分会火箭发动机专业委员会. 火箭推进技术学术会议文集. 2006.

[3]汪诗林， 吴泉源. 开展虚拟试验系统的研究和应用[J]. 计算机工程与科学， 2000， 22（2）： 33-36.（编辑陈锋杰）