強(qiáng)度耐久性能作為整車重要的屬性性能，耐久屬性的開發(fā)需要精確的工況載荷輸入，傳統(tǒng)的耐久載荷輸入需要借助物理樣車通過傳感器進(jìn)行測(cè)試。基于虛擬試驗(yàn)場仿真技術(shù)（Virtual Proving Ground）將真實(shí)路面轉(zhuǎn)化成具有真實(shí)路面特征的虛擬路面，在虛擬軟件環(huán)境下，建立整車虛擬樣機(jī)，在虛擬環(huán)境下模擬仿真實(shí)車在試驗(yàn)場虛擬路面上以不同的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而獲得整車不同節(jié)點(diǎn)處的載荷譜，支持整車強(qiáng)度耐久屬性的開發(fā)。

1、虛擬試驗(yàn)場（VPG）技術(shù)概述

虛擬試驗(yàn)場技術(shù)（Virtual Proving Ground）在開發(fā)前期可以快速精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)整車強(qiáng)度耐久載荷，支持整車強(qiáng)度耐久性能的開發(fā)。整車耐久性開發(fā)中的虛擬試驗(yàn)技術(shù)（VPG）路線主要包括輪胎測(cè)試及建模、整車數(shù)字化路面建模、整車虛擬模型建模及整車虛擬路譜載荷提取等步驟。

整車強(qiáng)度耐久屬性開發(fā)在項(xiàng)目前期CAE的仿真迭代需要虛擬載荷的輸入，零部件及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證過程中同樣需要強(qiáng)度耐久載荷的輸入，耐久屬性開發(fā)需要確保CAE虛擬仿真/零部件及系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)/整車道路試驗(yàn)有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，VPG虛擬試驗(yàn)長載荷技術(shù)正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的短板，基于虛擬試驗(yàn)場（VPG）整車強(qiáng)度耐久開發(fā)流程如下圖所示。

2、數(shù)字化路面建模

路面是車輛所受載荷激勵(lì)的主要來源，其建模方式和精度直接關(guān)系到仿真結(jié)果能否真實(shí)反映實(shí)車的受載情況。數(shù)字化3D路面主要是對(duì)試車場實(shí)際路面建模，也可根據(jù)實(shí)際開發(fā)需要?jiǎng)?chuàng)建虛構(gòu)的路面模型，例如為評(píng)估整車操控和懸架減震器的平坦路面。

實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)場技術(shù)（VPG），需要精細(xì)化的數(shù)字化3D路面模型，3D路面模型的作用是提供足夠詳細(xì)試驗(yàn)場路面，以使車輛經(jīng)過時(shí)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際車輛相同的響應(yīng)。在多體動(dòng)力學(xué)軟件 ADAMS 中，適用于三維耐久路面建模的路面文件格式主要有：3D樣條路面（XML 和 RDF 格式）、規(guī)則柵格路面（Regular Grid Road，RGR 格式）和曲線規(guī)則柵格路面（Curved Regular Grid，CRG 格式）。

對(duì)于試驗(yàn)場中的各種路面建模，分為規(guī)則路面建模和不規(guī)則路面建模，規(guī)則路面可通過簡單的路面建模方法實(shí)現(xiàn)。不規(guī)則路面主要是指耐久道路，如鵝卵石路、搓衣板路、比利時(shí)路、魚鱗坑路等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且沒有明顯規(guī)律。

（1）建模方法

建立不規(guī)則路面模型的方法就是通過三維路面掃描設(shè)備對(duì)路面進(jìn)行掃描，獲取道路表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)和修正參數(shù)，最后通過后處理生成用于虛擬試驗(yàn)場仿真的3D數(shù)字路面模型，通常為CGR格式路面（曲線規(guī)則柵格路面）。一般采用激光動(dòng)態(tài)掃描，車速控制為5km/h。

（2）試驗(yàn)設(shè)備

數(shù)字化3D路面建模多采用哪個(gè)車載三維激光雷達(dá)掃描儀，主要由激光掃描儀、陀螺儀、高速相機(jī)、基站GPS、時(shí)間同步器、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

3、Ftire輪胎測(cè)試及參數(shù)建模

汽車輪胎是連接車輛與路面的唯一部件，支撐整車重量，輪胎的力學(xué)特性與汽車的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。虛擬試驗(yàn)場技術(shù)（VPG）中虛擬路面方法需用 Ftire創(chuàng)建輪胎模型。

Ftire（Flexible Ring Tire Model）是由德國 Esslingen 大學(xué)的 Michael Gipser 領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)的。它將胎面離散成大量的單元，單元與單元之間用拉伸彈簧，扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧來連接在一起，胎面單元又通過彈簧單元跟輪輞相連。

汽車在虛擬路面行駛時(shí)，模擬輪胎的彈簧單元根據(jù)3D路面和車輛的重量和速度，發(fā)生變形，產(chǎn)生反作用力，并將這些力通過輪輞傳遞給懸架系統(tǒng)，最后懸架系統(tǒng)將載荷傳遞給車身。

4、整車多體動(dòng)力學(xué)模型

整車虛擬模型的質(zhì)量直接影響整車傳遞函數(shù)精度，決定了能否獲得可靠的底盤件以及車身連接點(diǎn)的載荷。實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)場技術(shù)（VPG），需要精細(xì)化的車輛模型，車輛模型是包括輪胎模型在內(nèi)的多體動(dòng)力學(xué)模型，可通過 MSC ADAMS/car 等多體動(dòng)力學(xué)軟件搭建。

整車模型常由車身、前懸、后懸、前后輪胎、動(dòng)力總成、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型構(gòu)成，首先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：基本參數(shù)、幾何參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、質(zhì)心坐標(biāo)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、硬點(diǎn)坐標(biāo)、彈性元件參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)等信息，用 Adams 來創(chuàng)建整車模型。

5、虛擬載荷提取與應(yīng)用

基于試驗(yàn)場數(shù)字模型（路面模型、輪胎模型、整車多體模型）開展整車道路試驗(yàn)仿真測(cè)試，選定路況并設(shè)置車速，生成所定義場景的車輛載荷文件，再對(duì)生成的載荷信號(hào)進(jìn)行檢查、截取及濾波。

在虛擬模型內(nèi)生成虛擬載荷數(shù)據(jù)適用于多種場景，包括車身與底盤的分析與校核、整車耐久性驗(yàn)證、懸架耐久驗(yàn)證及零部件疲勞耐久試驗(yàn)等。

總而言之，虛擬試驗(yàn)場技術(shù)（Virtual Proving Ground）是針對(duì)整車性能開發(fā)和零部件疲勞耐久設(shè)計(jì)提出的一種CAE仿真分析技術(shù)，是當(dāng)前CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。虛擬試驗(yàn)場技術(shù)能提供一致性較好且便于管理的測(cè)試環(huán)境，避免了環(huán)境溫度、試驗(yàn)道路修復(fù)、風(fēng)速等影響因素的影響。此外，虛擬試驗(yàn)場技術(shù)也可消除駕駛員的認(rèn)為或主觀因素，使測(cè)試結(jié)果更客觀。