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北約借助海克斯康模擬仿真軟件評估軍用地面車輛的機動性特征

面臨的挑戰：

在戰場上，地面車輛的機動性堪稱任務成功與否的分水嶺。當今的國防環境需要打造一種可快速部署、高機動性的車輛平臺，能夠在各種地形和道路類型之間可靠地操作。近年來，針對不同的環境條件和操作場景進行性能評估的車輛仿真能力已大幅提升。

為了支持下一代北約參考機動性模型（NG-NRMM）項目，對現有 CAE 機動性分析能力進行評估，使用了各種不同的海克斯康產品組合對 FED-Alpha（一種燃料效率示范車輛）的機動性進行了評估和可視化（圖 1）。為支持這項工作，由 Eric Pesheck、Venkatesan Jeganathan、Tony Bromwell、Aniruddh Matange 及Paspuleti Rahul Naidu 組成的團隊依照現實世界的校準數據創建并驗證了 Adams 模型。然后采用這些經過驗證的模型來準確預測各種道路和越野操作場景下的車輛性能。通過專門開發的可視化和機動性映射應用程序，將選自這些分析研究的結果集整合到 Luciad 中（海克斯康地理空間產品組合的一部分）。此外，還證明了 Adams 模型的實時兼容能力，可支持各種自主場景和“硬件在環”場景。

來自海克斯康的解決方案：

創建并驗證 Adams 模型

Adams Car 是 Adams 產品組合中的垂直解決方案，專攻車輛總成和子系統的建模和仿真，可用于創建 FED Alpha Adams Car 的整車模型（采用基于模板的方法建模）；

可使用車輛數據填充可重復使用的子系統參數模板（例如底盤、輪胎、動力系等），并通過集成創建整車總成，如圖 2 所示。典型的模型數據包括設計重點、零件質量屬性以及部件兼容性特征。Adams Car 能對部件進行詳細描述，例如柔韌性、摩擦力或者與頻率有關的行為（如有必要）。

模型中所采用的逼真度和詳細程度取決于仿真意圖和可用的設計數據。對各種車輛測試事件中收集到的數據進行對比，以驗證模型的準確性。通過對比與車輛行為、動力學及乘坐品質有關的指標對模型進行驗證。

用 Adams 模型預測車輛性能

隨后采用經過驗證的 Adams 模型來仿真各種車輛事件，用以評估車輛的性能和機動性。這些事件包括模擬真實戰場場景的道路及越野行駛。對典型的軍事道路評估事件進行了仿真，例如雙車道變道可展示極限操控性能、半圓形道路可展示乘坐品質、爬階梯可展示障礙物通行能力，這些仿真與測試結果非常吻合。

由于在實現某些任務目標時，有可能需要在毫無準備的地形上進行操作，因此對越野性能的評估至關重要。越野建模中最重要的一點就是地面力學的表述；土壤性質以及輪胎與土壤表面之間的相互作用。本方案中采用了簡單模型和精細模型來描述地面力學。

簡單地面力學模型采用基于實驗測量的經驗關系來預測可變形地形對車輛操作的響應。該方法計算效率高，可依據定義明確的牽引和爬坡分析來評估車輛性能。而且該方法還能用于各種掃描過的地形形態，以便進行更廣泛的越野性能分析。

另外，由于該方法計算效率高，能支持隨機分析方法，在仿真時可以從統計的角度將因模型和地形輸入的變化而引起的不確定性考慮在內。這些隨機仿真代表了數百種潛在的土壤特征，能夠預測出整個土壤和地形屬性統計范圍內的車輛性能，進而可得到車輛性能的置信區間。

此外還采用了逼真度更高的方法，根據仿真微粒的相互作用來得到土壤屬性。這通過 Adams 和 EDEM 的協同仿真來實現，后者是 DEM 解決方案所提供的基于離散元方法（DEM）的仿真。在離散元方法中，材料用一堆形狀簡單（通常以圓形和球形為基礎）、相互作用的微粒表示。Adams 和 EDEM 的典型協同仿真工作流如圖3所示。根據指定的車輛部件對潛在的 EDEM 接觸進行定義。用Adams 確定這些零件的位移并提供給 EDEM。然后由EDEM 確定產生的反作用力，并將其傳遞回 Adams。

采用這些方法對拉桿牽引力和沙床加速度等測試進行仿真，以便測算 FED 在各種越野場景下的牽引行為。雖然進行了密集的計算，但這些仿真不僅表明逼真度有了顯著增加，而且與測試結果的相關性也更為準確。

機動性映射

借助品種繁多的海克斯康產品組合（圖 5），運用地理空間業務部的 Luciad Lightspeed 技術將 Adams 預測的 FED Alpha 機動性特征投影到 Keewenaw 研究中心（KRC）的測試地形上。將 Adams 預測與地理空間映射技術整合在一起，就可以基于各種土壤、等級以及預測的車輛性能數據的組合，在整個映射范圍內實現對車輛速度的可視化。此外，還可以根據選定的路線端點來計算優化路線。

可將邊坡預測、障礙物信息等附加操作數據合并到上述框架中，由此建立起一個可運用仿真車輛性能數據對實際地形進行全面機動性評估的平臺。

實時虛擬模型性能

在驗證用于機動性評估的全逼真 Adams 模型對與其銜接的硬件在環（HIL）和 ADAS 應用程序的適用性時，需要為全逼真模型創建一個降階實時兼容變量。

由該變量可推導出不同逼真度、滿足特定仿真意圖的車輛動力學建模，這樣用戶只需部署單一的建模解決方案，不必在各種工具之間進行昂貴且易于出錯的模型轉換。此外，借助 Adams 實時方法，用戶可以更加自由地保留感興趣的模型特征。通常可根據分析和綜合要求對所選定的部件和連接的表述進行一些簡化，從而得到實時車輛性能。在本例中，僅對防側傾桿模型進行了簡化。在 VTD（虛擬試駕）分析環境中對實時模型進行測試以驗證其功能。此外，還參照基準整車性能對該模型的數值精度和效率進行了評估。

Adams 長期以來一直活躍在道路分析領域。這項工作展示了如何運用各種海克斯康產品組合來擴展這些模型，并將其重復用于道路地形表述、實時分析以及操作映射背景下的越野分析。

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