车辆系统仿真软件及用法

1.常用仿真软件

车辆系统部件多，结构复杂，型式多样，建立车辆系统的仿真模型是仿真计算的核心内容，针对不同的仿真目的和系统组成及结构特点，有多种建模方法和体系，根据建模手段及原理的不同主要分为5类。

（1）采用高级通用语言（如FORTRAN，C／C＋＋和Basic等）编制专门的仿真程序。这些高级语言功能较强，应用范围较为广泛，具有很强的规范与逻辑性，建模、求解均需人工编程，对于建立履带车辆这样较为复杂的动力传动系统模型，就显得比较困难，研究和开发的周期也相对较长，而且模型的修改和扩展很难，通用性较差。不过作为其他语言与方法的基础，在处理一些特定问题时仍不可替代。

（2）面向科学与工程计算的图形化编程语言（如Matlab／Simulink、MatrixX）提供了一种用来对动态系统进行建模与仿真的手段，能够支持连续、离散或混合的线性或非线性系统的动态仿真，而且具有较高的仿真精度。

（3）面向对象的物理建模语言（如ObjectMath、Dymola／Modelica）利用面向对象的系统分析方法和编程思想（如类结构、继承性、封装模板等）进行建模。

（4）专业工程软件（如EASY5、AMESim、SystemBuild）适合对大型复杂多学科动态物理系统进行建模和仿真分析，对于涉及多工程领域的履带车辆动力传动系统可进行高效、精确、快捷的建模与分析。

（5）多体动力学软件（如ADAMS、DADS、RecurDyn）将复杂的机械系统看作是由有限个刚性体或柔性体通过各种形式的铰连接而成，在履带车辆行动部分的建模中应用广泛。

2.模块化建模方法

车辆系统部件多、形式复杂，涉及多种学科领域的理论，建模比较困难。为便于建立系统的模型，将整个车辆系统分解为若干个子系统，每个子系统又可划分为若干个基本模块。这样，整个系统的建模过程就变成了定义组成某一类子系统的基本模块，这个基本模块定义为一个元件。分别建立这些基本模块的模型，然后将这些模型连接起来，就得到整个系统的仿真模型。模块化建模方法主要有以下5个特点。

（1）按分层结构来组织模型，整个系统的模型由子系统组成，各子系统还包含下一级子系统，有助于理解模型如何组成及各部分之间的相互关系，降低了建模的复杂性。

（2）模块参数化，模块的状态变量、参数等信息均封装在模块内部，仅由预设的接口与外界连接，可重用性好，降低了建模成本，减少了建模工作量，缩短了模型研制周期和费用。

（3）模块的并行开发，可以加快建模速度，使建模人员能够致力于各个模块的优化工作。

（4）每个模块都预先经过校验，模型的可靠性得到了提高，根据仿真结果更容易实现整个模型的维护与优化。

（5）仿真分析和数据处理更加方便快捷。

在系统中，相互作用的元件之间必然存在功率的传递与信号传输，功率与信号流动的地方就是通口。各元件模型根据其物理特性设置功率通口，根据状态反馈和控制信号的需要设置信号通口，元件内其他量各自封装。

元件间在功率通口处用功率键连接，表示功率在元件间的传递。功率键包含成对出现的功率变量。研究对象不同，功率变量的含义也不同。例如，描述机械平移运动的功率变量是力和速度，描述机械转动运动的功率变量是转矩和角速度，描述液压系统的是压力和质量流量。把各类功率变量中的力、转矩、压力等表示为势变量，把速度、角速度、质量流量等表示为流变量。表10.1.1为各种能量范畴系统的功率变量。功率键上传递广义势变量和广义流变量，只有符合因果关系的元件才能连接。如果功率通口处输入是势变量，而输出是流变量，则对于机械系统，该功率通口称为惯性通口；对于液压系统，该功率通口称为阻性通口。若功率通口处输入是流变量，而输出是势变量，则对于机械系统，该功率通口称为弹性通口；对于液压系统，该功率通口称为容性通口。

表10.1.1　各种能量范畴系统的功率变量

功率键是双向箭头，表示功率双向传递，实箭头表示功率传递的正方向，如果广义势变量和广义流变量的积为负，则功率与规定方向相反。

信号键用来连接元件的信号通口，信号键是单向箭头，表示信号的流向。元件模型按系统各组成环节的物理连接关系和因果关系用功率键连接形成子模型，各子模型规定了严格的功率通口，以便于连接形成整个系统的模型。

因果关系在这里指的是模块输入和输出之间的因果性。因果关系的提出是以数字积分为基础的仿真算法的必然要求，在实际物理系统中是自然满足的。图10.1.1（a）为理想的惯量模块和无惯量轴的模块。对于理想转动惯量模型，其角加速度与作用转矩的代数和成正比，由角加速度积分可以得到角速度和角位移。功率通口处的输入是转矩，而输出是角速度，该功率通口为惯性通口；理想弹性轴模型传递的转矩由角位移和角速度计算得到，功率通口处的输入是角速度，输出是转矩，该功率通口为弹性通口。由图10.1.1（b）、（c）可以看出，无惯量轴和惯量模块之间可以正确地连接，而两个惯量模块却不能彼此相连，因为因果关系不能满足。

图10.1.1　惯量和无惯量轴仿真模块之间的因果关系

（a）理想模块；（b）可连模块；（c）不可连模块(www.xing528.com)

3.多软件联合仿真

以履带车辆推进系统为例，它是由动力、传动、操纵装置及行动部分等不同工程领域部件组成的复杂系统，其动力学特性涉及机械、液压、控制、流体、多体动力学等多个不同学科、不同领域，更涉及多学科、多领域的交叉、耦合问题。要对这些复杂系统进行完整、准确的分析，单靠机械、液压或控制等单个领域的仿真是远远不够的。所以，当前履带车辆系统动力学发展的又一重要特征是多元化、层次化和模块化，即按照将车辆系统分为不同层次和若干个子系统的原则，根据每一子系统的动力学特征采用不同学科理论建立动力学模型，形成相对独立并具有输入、输出和反馈特征的模块，从而实现对车辆系统综合性能仿真的目的。

目前，多学科领域的联合仿真已应用于汽车、航空航天飞行器、作战系统等复杂系统的仿真中。福特公司开发的汽车姿态控制器（VAC）实现了两个领域之间的联合仿真。整个系统的模型构成如图10.1.2所示，其整车模型采用多体动力学软件ADAMS／Car模块建模，控制系统和前、后液压作动器模型采用MATRIXx＼Xmath软件建模，实现了机械、液压、控制等多学科领域的建模和单台计算机多软件的联合仿真。

集成联合仿真软件平台的研究已经形成了初步的产品，具有代表性的有Wind River公司的Plug＆Sim和MSC公司的SimOffice。

Plug＆Sim将控制系统的建模与仿真软件MATRIXx、以机械CAD三维实体模型为基础的多体动力学仿真软件DADS、面向混合信号和混合技术的仿真软件Saber等软件集成在一个平台，实现了机械、电子和控制多学科领域复杂系统的联合仿真分析，并支持这些模型在各自的仿真环境下的联合仿真。

SimOffice以MSC公司的核心软件如EASY5、ADAMS、NASTRAN、PATRAN等为基础，集成了机械、液压、控制等众多学科领域的联合仿真平台，该平台可以实现各仿真工具之间的无缝连接、数据交换与模型整合，以及复杂系统的建模、测评、检查和改进。SimOffice各软件之间可以方便地通过不同方式实现模型数据交互、求解器整合和计算过程协同。

图10.1.2　汽车姿态控制系统模型图

目前较为通用和流行的实现多学科联合仿真的方法主要包括以下3种。

1）联合仿真式

联合仿真式（Co－Simulation）是目前较为通用，也是使用最多的一种数据交换方式，其数据交换原理如图10.1.3所示，两个不同仿真工具之间通过TCP／IP等方式实现数据交换和调用。

图10.1.3　联合仿真式的基本原理

当两个不同仿真工具之间通过联合仿真方式建立连接后，其中一个仿真工具所包含的模型可以将自己计算的结果作为系统输入指令传递给另一个仿真工具所建立的模型，这种指令包括力、转矩、驱动等典型信号，后者的模型在该指令的作用下所产生的响应量，如位移、速度、加速度等，又可以反馈给前者的模型。这样，模型信息和仿真数据就可以在两者之间双向传递。此方式的局限在于对系统资源占用较多，某些情况可能速度较慢。

2）模型转换式

模型转换式（Model Transfer）的原理如图10.1.4所示，其主要原理是将其中一个仿真工具的模型转化为特定格式的包含模型信息的数据文件，供另一个仿真工具中的模型调用，从而实现信息交互。典型的数据格式如用于刚弹耦合分析的模态中性文件（.mnf），在该文件中包含采用［M］、［K］、［x］和振型矩阵表示的弹性体信息；用于控制机构一体化仿真以及其他仿真的动态链接库文件（.dll），该文件中包含采用变量表示的函数信息。

模型转换式的典型应用有控制、电液与机构一体化仿真（如飞机操纵面），有限元与多体机构（如刚弹耦合机械系统），等等。这种方式的特点在于求解速度快，对系统资源占用较少，稳定性好，并且模型建立后便于重复使用，而局限则在于需要定义特定数据格式的文件，通用性稍差。

图10.1.4　模型转换式基本原理

3）求解器集成式

求解器集成式（Solver Convergence）的基本原理是实现两个不同工具之间的求解器代码集成，从而实现在其中一个仿真环境中对另一个仿真工具的求解器调用，如图10.1.5所示。

图10.1.5　求解器集成式的基本原理

求解器集成式的典型应用有，带有屈曲等材料非线性问题的大型结构模型，带有流固耦合、冲击等几何非线性问题的大型结构问题，等等。这种方式的优势在于可以方便有效地运用多种学科领域的求解技术，便于用户直接使用现有模型，而局限在于模型中的某些因素如单元类型、函数形式等在某些情况下需要重新定义，同时软件的开发和升级周期较长。