虚拟样机技术在汽车及军用车辆领域的应用

伍赛特

0 引言

高速履带车辆作为一种军用特种车辆，具备强大的攻击火力、高度的越野机动性和坚强的装甲防护力，是主要的地面突击兵器，也是世界各国地面武器装备研制与发展的重点。经过近百年的发展，高速履带车辆已经成为一种通用的越野机动平台，在军队武器装备体系中起着举足轻重的作用。现代战争对高速履带车辆的性能要求不断提高，使得履带车辆动力学性能的研究成为一项重要课题。车辆地面力学、车辆动力学、多体动力学理论的逐步发展与完善，建模与仿真技术、计算机软硬件技术的飞速发展共同促进了高速履带车辆动力学性能研究模式的转变，建立反映高速履带车辆动力学特性的虚拟样机模型并进行仿真分析已经成为一种新的技术手段。

履带车辆系统虚拟样机技术是高速履带车辆设计研制与计算机建模仿真技术完美结合的产物。虚拟样机技术可广泛应用于履带车辆的方案论证、工程研制、设计定型的各个环节中。在论证与方案阶段，通过建立履带车辆方案虚拟样机模型，完成车辆总体设计方案的动态特性仿真演示，实现设计方案原理样车总体性能及战术技术性能的预测与评估；能够进行多种原理样车方案的性能比较及多方案优选，确保以最优方案作为工程研制阶段的起点；同时还能为《研制任务书》和《研制方案论证报告》的制定和细化提供技术支撑。

在工程研制阶段，基于建立的履带车辆虚拟样机模型，实现对研制阶段物理样车各项性能指标的全程监控；为研制过程中出现的技术难题、故障现象从理论途径上提供分析研究方法，指导并制定解决方案；通过开展各部件、各分系统以及总体的综合匹配研究，为物理样车的研制寻求总体最优的设计方案；开展物理样车设计方案性能的评估与预测，为检验物理样车是否符合《研制任务书》要求及达到设计定型条件提供科学依据；同时，能够在具体的结构设计中，直接指导和参与零部件设计参数的分析、优化与改进，以提高履带车辆的设计质量。在设计定型阶段，逐步细化的虚拟样机模型能够与履带车辆设计定型试验同步，为车辆战技性能指标的考核与评估提供参考和补充；通过履带车辆虚拟试验，能够减少甚至代替部分实车试验，尤其是极限工况、破坏性及危险性工况以及特殊要求的试验工况下的实车试验，从而确保试验车辆及人员的安全；同时，还能为军方对设计定型报告、设计定型试验报告以及车辆性能进行全面的鉴定与审查提供评估手段。

开展履带车辆虚拟样机技术研究，并将其应用到高速履带车辆的论证、设计与研制中，对于缩短车辆的研制周期，降低研制成本，提高车辆的研制质量，实现装备建设“又好又快”地发展，具有重要的推动与促进作用、2）。

1 虚拟样机技术及其在车辆领域的应用现状

虚拟样机技术（Vinual Prototyping Technology）是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字化模型即虚拟样机（Virtual Prototyping）将不同工程领域的开发模型结合在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是一项基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术是在CAX（如CAD、CAM、CAE等）、DFX（如DFA、DFM等）技术基础上的发展，它进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持“由上至下”的复杂系统开发模式。

虚拟样机技术是面向系统设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含数字化物理样机、功能化虚拟样机和虚拟工厂仿真三个方面内容。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能化虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。而功能化虚拟样机技术是对整个产品性能进行优化设计，是基于系统的优化设计，能通过虚拟试验精确、快捷地预测产品整机性能。