基于虚拟试验台的汽车道路模拟试验教学改革研究

董红亮，来飞，陈勇，高书娜

基于虚拟试验台的汽车道路模拟试验教学改革研究

董红亮1，来飞1，陈勇1，高书娜2

（1.重庆理工大学 车辆工程学院，重庆市 400054；2.西南大学 工程技术学院，重庆 400715）

针对高校普遍缺乏道路模拟试验台硬件设备而无法开展道路模拟试验技术领域教学的现状，论文采用虚拟试验台技术，建立试验台多体动力学模型，进行道路模拟试验教学。突破硬件条件限制，实现人手一台虚拟试验台，满足学生实际操作锻炼的需求。通过案例式教学，将复杂的信号处理技术、道路模拟试验理论融入虚拟试验台，显著提示学生的学习动力，培养了学生的工程实践能力和专业技术能力。

虚拟试验台；道路模拟试验；多体动力学；教学改革

引言

汽车道路模拟试验由于高效率、高精度、高重复性等优势，在各大汽车企业、科研院所获得了非常广泛的应用，国内有20余家企业的道路模拟试验设备投入都超过1亿元。汽车企业对道路模拟试验工程师的人才需求日益增加，然而由于道路模拟试验设备昂贵，大多数高校由于条件限制难以有效开展道路模拟试验技术的教学，导致这方面人才缺口较大。

为解决上述问题，我院教学团队通过虚拟试验台技术，建立了道路模拟试验台的多体动力学模型和整车多体动力学模型。基于道路模拟试验理论，利用道路模拟仿真软件开展基于虚拟试验台的道路模拟试验。其中学生全过程参与虚拟道路模拟试验的各个环节，包括虚拟路谱采集、数据编辑、频率响应函数求解、虚拟路谱迭代等。

下文主要分为四个部分：（1）简述汽车道路模拟试验技术的基本原理，并分析该项技术各个环节的教学难点及需要的教学条件等；（2）基于虚拟试验台技术，指导学生建立虚拟试验台多体动力学模型等，综合运用数字信号处理技术、道路模拟试验技术等，针对某轿车开展虚拟道路模拟试验；（3）指导学生进行了桌面级的道路模拟试验台的开发；（4）分析了此次教学改革实践对提升学生解决复杂问题能力、工程实践能力的作用。

1 汽车道路模拟试验技术

1.1 概述

汽车疲劳耐久试验按照试验场所可分为3类，分别为用户道路试验、试验场道路试验、实验室道路模拟试验。用户道路试验即按照用户的实际使用工况在用户道路上开展的疲劳耐久试验，其最大的优点是能够较好地反映实际工况，其缺点主要有试验周期长、成本高、可重复性差等。试验场道路试验是按照一定的试验规范在试验场的强化耐久路面上开展的疲劳耐久试验，其优点是大大缩短试验周期、试验可重复性高、一致性好，其缺点是容易受到试验场地、天气、驾驶员等因素影响。道路模拟试验是利用道路模拟试验技术，通过试验台对被试对象施加载荷激励，模拟被试对象在试验场上的运动状态。其优点是能够更进一步的缩短试验时间，试验可重复性、一致性更高，不受环境、驾驶员、试验场地等因素影响。这三类试验方法的优缺点对比如图1所示。

图1 三种疲劳耐久试验方法的对比

由于汽车道路模拟试验的显著优点，其在国内外获得了非常广泛的应用[1-3]。典型的道路模拟试验设备主要有美国MTS公司的四立柱（Four Poster）、六自由度振动台（Multi- axial Simulation Table, MAST），轴耦合式道路模拟试验机（图2）等。道路模拟试验设备主要以进口为主，一台设备的价格大概为600万～3 000万人民币。国内高校大多没有足够的经费采购该设备，不具备开展道路模拟试验技术教学的硬件条件。按照全国汽车行业道路模拟试验领域新增设备和工程师人员更新估算，每年的人才需求缺口高达500～1 000人。因此，如何在高校开展道路模拟试验技术教学，满足企业人才需求，是该技术领域亟待解决的问题。

图2 美国MTS公司的轴耦合式道路模拟试验机

1.2 汽车道路模拟试验技术原理

从20 世纪 60 年代，随着液压技术和控制技术的发展，国外在道路模拟试验技术领域进行了大量研究。1977 年美国 MTS 公司推出远程参数控制技术（Remote Parameter Control, RPC），该项道路模拟试验技术主要包括路谱采集、数据编辑、频率响应函数测试、时域路谱迭代、台架耐久测试等步骤（如图3所示）。1979年德国Shenck公司推出转换函数的迭代补偿技术（Iterative Transfer Function Compensation, ITFC），1987 年美国Instron公司推出迭代卷积控制技术（Iterative Decon- volution Control, IDC）。随着这些技术的出现，道路模拟试验就在世界范围内逐渐得到了广泛的应用。

图3 道路模拟试验技术原理

1.2.1路谱采集

为了将试验场道路试验移植到试验室台架上，就需要记录试验场路面作用到被试对上的载荷激励。由于路面对被试对象的激励难以直接采集，一般采集被试对象在路面激励下的响应信号，例如车轮六分力信号、轴头加速度、悬架位移、簧载质量加速度等。因此，路谱采集工作就是记录被试对象在试验场路面上行驶时，路面激励作用下所产生的响应。路谱采集设备的成本相对较低，路谱采集技术的教学相对容易在学校开展。

1.2.2数据编辑

通过路谱采集得到的原始路谱数据通常无法直接用于道路模拟试验，需要进行一些数据处理编辑工作，包括时域剪辑、重采样、通道提取、去均值、去零漂、滤波等。数据编辑技术的教学，只需要数据编辑处理软件，也比较容易在高校开展。

1.2.3频率响应函数测试

为了通过试验台液压缸的激励使得被试对象的响应与路谱采集时一致，需要得到被试对象响应通道与作动缸激励通道之间的频率响应函数。通常对作动缸施加一段随机激励信号，记录该随机激励信号作用下被试对象响应通道的响应，通过响应与激励的互功率谱G()、激励的自功率谱G()计算系统的频率响应函数()=G()/G()。这部分内容的教学，需要用到昂贵的道路模拟试验设备，在没有硬件设备的前提下，仅通过理论教学，效果会大打折扣。

1.2.4时域路谱迭代

图4 时域路谱迭代过程

针对路谱采集的响应信号即目标信号，利用试验台作动缸激励通道与被试件响应通道之间的频率响应函数的逆函数_()，可以计算得到作动缸的首次驱动信号0(式1)。在试验台上播放该首次驱动信号0，得到被试件的首次响应信号0，将目标信号与首次响应信号0相减得到首次误差信号0。将首次误差信号0乘以频率响应函数的逆函数，得到第二步的驱动信号的修正量，将修正量累加到首次驱动0即得到第二步的驱动信号1(式2)。依次进行下去，可根据上一步的误差信号，得到下一步的驱动信号。时域路谱迭代过程如图4所示，这部分内容的教学，同样需要用到昂贵的道路模拟试验设备，仅通过理论教学，效果欠佳。

0=×_() （1）

Drv=Drv－1＋Err－1×_() （2）

1.2.5台架耐久测试

针对试验场采集得到多个目标信号进行时域路谱迭代，分别得到各个目标信号对应的驱动文件，将驱动文件按照试验规范要求，编制试验循环，在试验台上连续播放驱动文件，开展台架耐久试验。

2 基于虚拟试验台的道路模拟试验

随着虚拟仿真技术的发展和应用，昂贵的硬件条件的制约则有了突破性的解决方案。李伟豪[4]开展了车辆工程专业在传统+模拟仿真实验教学方面进行整合与优化，借助虚拟仿真实验教学，解决传统实验教学中的不足；傅楚青等[5]探讨了虚拟仿真软件在高校新能源车辆工程专业实验教学中遇到的问题及改进措施。因此，本文以虚拟四立柱试验台为例，开展道路模拟试验技术的教学。

2.1 虚拟四立柱试验台及整车多体动力学建模

四立柱试验台主要包括4个垂向布置的液压缸及配套的伺服阀、油管、油源等部件组成。在不考虑液压系统特性的前提下，虚拟四立柱试验台只需要建立4个垂向布置的液压缸即可，液压缸的活塞和托盘作为一个运动部件，与缸筒（或地面）通过移动副约束。MSC公司的ADAMS软件中提供了虚拟四立柱的模型，如图5所示。由于该四立柱模型只能实现对车辆的垂向、俯仰、侧倾、扭曲等4种激励，无法施加随机路谱激励。因此，修改四立柱模型的宏命令，使其能够输入随机路谱。

图5 虚拟四立柱及整车模型

ADAMS/Car模块中提供了各种汽车子系统的模板，如前悬架系统、后悬架系统、转向系统、制动系统、车身等。因此，只需选择合适子系统模板，并且修改各个子系统的硬点坐标、模型参数等即可搭建一个完整的整车多体动力学仿真模型。图6为利用ADAMS软件模板搭建的虚拟四立柱试验台和整车多体动力学模型。

图6 实车路谱采集和虚拟路谱采集

2.2 虚拟路谱采集

路谱采集工作涉及数字信号处理的一些基础理论和概念，例如采样率、帧、数据点数、傅里叶变换、时域采样、频率采样、混叠等。这些理论相对较难，并且比较枯燥，仅仅通过课堂理论教学，学生掌握的效果不太理想。因此，将这些理论知识应用到实车路谱采集或者虚拟路谱采集的过程中，学生能够得到直观的认识，更深入掌握相关理论。

通过实车路谱采集的实践教学，学生可以掌握常用传感器、采集设备的操作方法，培养查看、分析数据的能力。通过虚拟路谱采集的教学，指导学生搭建虚拟数字路面，设置测量通道并进行多体动力学仿真，得到虚拟数字路面激励下的路谱数据。多体动力学模型可以分发给全部学生，每人都可以独立进行虚拟路谱采集，可以极大地提高学生的参与度。

2.3 数据编辑

路谱数据编辑也涉及较多的数字信号处理的知识，如数据结构、数据剪切合并、滤波、重采样、频谱分析等。可借助商业软件，针对典型的路谱数据进行数据编辑的教学。学生可在实际的路谱数据案例中，分析发现数据中存在的问题，了解道路模拟试验对路谱数据的要求，掌握常用的路谱数据编辑方法。例如，图7所示的信号存在明显的零漂现象。造成该现象的原因可能是传感器受到温度、湿度等影响产生了零点漂移。信号的零漂或趋势项的频率成分主要集中在低频，因此可以通过高通滤波，将低频的零漂或趋势项滤掉。通过这样的案例，学生能识别出信号存在的问题，并分析出造成该问题的可能原因，并且能够灵活运用信号处理的理论、工具解决上述问题。

图7 存在零漂的时域信号

2.4 虚拟频率响应函数测试

频率响应函数测试涉及频谱分析、功率谱密度函数估计、频响函数计算等理论知识。利用虚拟四立柱和整车模型，可进行虚拟试验台的频率响应函数测试。首先，设定随机激励信号的自功率谱曲线ASD，并利用随机函数发生器，根据该ASD曲线生成一段时域随机信号；其次，将该随机信号施加到虚拟四立柱试验台，进行动力学仿真分析，得到响应的时域信号，并计算响应信号的自功率谱密度RSD，计算响应信号和激励信号的互功率谱密度CSD；最后，计算得到频率响应函数。

图8 频率响应函数计算

结合虚拟试验台，可以更深入地讲解频率响应函数的理论，如幅值谱、相位谱的物理意义，共振时的频谱特征，通道之间的耦合性等。可分析加速度响应、位移响应信号、应变信号等不同类型传感器的频率响应函数特性，及道路模拟试验精度的影响。通过虚拟试验台，可以将复杂的理论知识融入实际的工程案例中，并且每个学生都可以亲自动手操作练习，其学习效果明显高于纯理论教学。

2.5 虚拟时域路谱迭代

时域路谱迭代主要涉及频率响应函数求逆、利用频率响应函数的逆函数、目标信号求解驱动信号的理论。利用虚拟试验台和商业迭代软件，可以方便地开展虚拟时域路谱迭代。通过单个车轮的迭代误差曲线可以看出，随着迭代次数的增加，响应信号和目标信号的RMS误差越来越小，迭代次数达到10次时，RMS误差小于10%，说明虚拟迭代已经达到了较高的迭代精度（图9）。

图9 迭代误差

从单个车轮迭代后的响应信号与目标信号的时域对比也可以看出，响应信号与目标信号吻合很好。说明通过道路模拟试验得到的被试件的响应与路谱采集时的响应吻合很好，从而验证了虚拟道路模拟试验技术的有效性。

图10 响应信号与目标信号的对比

利用虚拟试验台，可以快速地完成虚拟道路模拟试验。将艰涩的数字信号处理理论知识、复杂的道路模拟试验技术的工程经验融入可视化的虚拟平台，提高学生的参与度，提升学生解决复杂工程问题的能力。

2.6 虚拟台架耐久测试

利用虚拟试验台，完成虚拟道路模拟试验后，可提取关键部件的载荷，作为有限元模型的载荷输入，进行疲劳分析。这一部分内容涉及较多的有限元知识，不再展开叙述。

3 桌面级道路模拟试验台开发

进口道路模拟试验设备涉及精密的液压伺服阀、作动缸等部件，成本高昂，大多数高校没有足够的经费预算采购相应的设备。仅从道路模拟试验教学的目的出发，只要能够提供可控的直线运动即可满足道路模拟试验的硬件要求。可以采用工业上广泛应用的直线电机来代替液压缸，搭建教学用的道路模拟试验台。图11为本课程组老师指导的学生创新团队搭建的桌面级道路模拟试验机。该试验机主要包括以下几个部分，直线电机初级、次级、导轨、光栅尺、托盘、驱动器、开关电源等。将随机路谱位移驱动信号输入到直线电机驱动器即可控制直线电机按照随机路谱进行运动。通过该试验台的搭建，创新团队的学生能够掌握更多涉及硬件、控制、软件开发等方面的知识，锻炼实际动手操作、解决问题的能力。

图11 桌面级道路模拟试验台

4 结论

基于虚拟试验台开展汽车道路模拟试验教学，能够将复杂的数字信号处理知识、道路模拟试验原理等融入实际的工程案例中，极大地激发学生的学习兴趣，提高学生的参与度，避免枯燥乏味的纯理论教学。通过桌面级道路模拟试验台的开发，能够更进一步地锻炼学生的实践能力、利用已有知识体系解决复杂工程问题的能力。本文利用虚拟仿真技术，突破硬件条件限制，将行业急需的技术引入课堂教学，开展了工程教育背景下教学改革的探索和尝试。

[1] 宫海彬,姚烈.室内台架道路模拟试验技术发展综述[J].汽车工程学报,2018,8(01):72-78.

[2] 白学文,齐志会,吴艳,等.道路模拟试验技术在新能源汽车开发中的应用研究[J].振动与冲击,2019,38(06):83-87+113.

[3] 钱立军,吴道俊,杨年炯,等.基于室内道路模拟技术的整车加速耐久性试验的研究[J].汽车工程,2011,33(02):91-96.

[4] 李伟豪.车辆工程专业传统与模拟仿真实验教学整合与优化[J].中国教育技术装备,2020(16):119-122.

[5] 傅楚青,傅显峰,燕宁宁,等.虚拟仿真软件在高校新能源车辆工程专业实验教学中的应用探析[J].内燃机与配件,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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董红亮（1979—），男，高级工程师、博士，专任教师，就职于重庆理工大学车辆工程学院，研究方向：汽车道路模拟试验技术。

重庆市高等教育教学改革研究项目（编号：203334），重庆市雏鹰计划项目（编号：CY210908）。