车辆集成设计与仿真技术研究

胡江，马谢

车辆集成设计与仿真技术研究

胡江，马谢

（成都锦逸恒信科技有限公司，四川 成都 610036）

车辆集成是系统集成领域中的最常见形式，应用广泛。系统性能设计是车辆集成的重要环节，文章对底盘改造、布局设计、供配电设计、人-机-环境设计、安全性设计、稳定性设计、电磁兼容性设计、防雷设计、综合布线设计、维修性及保障性设计等性能设计要点进行了描述，对其设计原则、设计要点和通用要求进行了详细阐述。进一步的，针对系统中关键和重要的性能，提出了性能仿真技术的思路和基本方法，为提高集成车辆的综合效能提供技术基础和参考。

集成车辆；集成设计；装车方案；仿真

前言

随着当今社会信息化和数字化程度的日益提高，电子信息系统被广泛应用，大量集成于固定设施、车辆、舰艇、航空航天器等平台。车辆平台作为系统集成中最基础和最泛在的平台，在民用市场和军用领域都有十分广泛的应用，如民用的移动通信、商业运输、特种工程、灾害应急、新闻采集、移动指挥等，在军用方面则包括C4ISR（指挥控制、通信、情报、监视、侦察）和运输、保障、作战等各类系统。

集成装车并非简单的功能设备堆砌，而是多系统的有机集成。在集成装车的设计过程中，传统设计主要注重功能设计，以满足任务系统的基本指标为原则，而对性能设计的重视程度尚显不足，尤其是在多学科跨领域的综合性能设计方面，尚没有标准要求和指导性规范。

通过梳理车辆集成设计的主要组成部分，分别描述其设计原则、设计要点和通用要求等，并针对系统中关键和重要的性能指标，提出了多个性能仿真技术的思路和基本方法，进而通过运用设计手段提高集成车辆的综合效能。

1 车辆集成设计要点

1.1 底盘改造

针对底盘和车体的任何改造都不能改变该原车底盘的通过性、行驶性、车辆安全性、机动性等。

1.2 布局设计

布局设计分为外部布局和内装布局设计。

外部布局是以便于操作维护、保持底盘稳定性、提高电磁兼容性和可靠性为原则，以充分发挥任务系统性能，降低人员操作强度、充分利用空间等为目标而进行的。

内装布局设计则是以系统设备的操作、互连关系、形体质量参数等为依据，以完成既定功能、便于操作维护、保持底盘稳定性、提高电磁兼容性和可靠性为原则，以良好机动性能、友好人机界画、空间充分利用、维修便利性、经济性等为目标而进行的。其人机工程设计要点包括：

（1）操作的设备、行进间需操作的设备安装在工作人员方便操作的位置。

（2）质量与体积大的设备应尽量安装在下部。

（3）设备的分布符合整车轴荷分配的要求。

（4）设备颜色相互协调。

对于内部设备的安装，主要分为上架安装设备和台面安装设备，需对各类设备进行分类布置和安装，具体安装要求如下：

（1）标准上架结构的设备可直接安装于19英寸标准机柜内，非标准上架结构的设备通过19英寸插箱过渡安装。

（2）台式安装设备自带有减振置的可直接安装于操作台面或机架上，若不带减振装置，可根据设备特性选择是否设计专门的减振架。

（3）机柜是安装和保护上装设备的重要构成，机柜的设计是实现整车系统技术指标的重要组成部分。其对于排除各种复杂环境对设备的干扰，保证设备安全、稳定、可靠地工作，为设备加装防护措施和便利机构，保障系统的高效使用。

1.3 供配电设计

通常，整车应设计为既可使用外接市电或发电机的交流能源，也可使用车载UPS蓄电池组的直流能源，且各种供电方式能够依据供电顺序实现无缝切换。对于整车系统的供配电分系统，有以下设计要点：

（1）具备直流、交流供电方式，并能实现自动切换功能，供电优先级从高至低分别为：市电、发电机、车载蓄电池组。

（2）车辆应尽可能立足于独立供电，并采用集中供电与分散供电相结合、直流供电与交流供电相结合的设计理念。

（3）供电装置所产生的噪音、电磁发射和红外辐射等应有技术措施进行处理，使对任务系统的影响减至最小程度，所产生的各种干扰不影响车载设备的电气性能。

（4）对于车体对外的电源输入输出口，应设计电源壁盒，其面板应设置交流输入接口、交流输入开关、接地柱、交流避雷模块、故障状态指示灯等，并可根据实际需求设计交流输出接口。其内部应有安全防护模块，其基本设计包括电流型漏电保护、防感应雷防护、过压保护、漏电保护、输入电源滤波，以及接地测量、声光告警等功能。

（5）对于车内电源分配，应设计综合电源或配电箱，基本功能包括电源输入管理、输出稳压和滤波、状态显示和告警等功能。

1.4 人-机-环境设计

整车系统的人-机-环境设计包括取暖制冷、通风、照明、舒适性设计和可达性设计等方面。

（1）取暖制冷首先应明确系统的最高和最低使用环境温度、舱体尺寸和内空尺寸、舱体传热系数、设备散热功率、工作人数、换气量等输入条件，然后计算空调机所需的总制冷量（制冷总负荷）=P1（舱体内外温差传热）+P2（太阳辐射热量）+P3（车内电子设备散热）+P4（人体散热）+P5（新风负荷），以及所需的总制热量（制热总负荷）=P1（舱体内外温差传热）+ P5（新风负荷）-P3（车内电子设备散热）-P4（人体散热）。将所需的总制冷/制热量与车辆原配空调（包含主、副冷凝器）的标称制冷功率和制热功率比较，若原配空调大于所需制冷/制热功率，则可认为底盘自带空调能够满足整车取暖和制冷的需求，无需加装空调。若不足以满足需求，则应基于取暖制冷的最低要求进行计算，如取暖需在20分钟内从-20℃升温至0℃，制冷需在10分钟内从46℃降温至30℃，通过计算得出所需制冷量和制热量，再根据结构安装条件选取适合的空调。

（2）整车应根据原车配置照明灯情况和人员操作区照度需求进行分析，若照度不足，则应加装直流LED灯源照明灯，由综合电源或配电箱供电。灯源选择应根据光通量、配光曲线图、距操作面距离等计算得到操作区光照强度进行验证。此外应配置1个便携式移动应急灯，用于车辆夜间维修时的照明。

（3）系统可达性设计应包括：需要操作的设备及结构件应位于正常操作的活动空间内（根据GB/T10000《中国成年人人体尺寸》设计），显示及指示设备应处于观测人员的视距范围内，应急设备的安装位置及固定方式应保证操作人员的快速取放要求，可维修的设备与结构件等应充分考虑人员的操作空间及维修工具的行程空间。

（4）系统舒适性设计应包括：常操作的设备与机构应确保足够的操作空间与合理的视距范围，设备、机柜、座椅及工作台之间的尺寸关系符合正常通过或操作的人机关系，座椅能够上下可调、前/后可调、背俯仰角度可调并配备安全带，对体积较大或重量较重的设备应设计配备省力机构。

1.5 安全性设计

安全性是车辆加改装和集成设计的关键部分，主要包括电气安全、机械安全、防火安全和防雷安全等方面。

（1）供电分系统应设计报警装置，当出现短路、欠压或过压等任一情况时，向操作者提供声光报警，并自动切断电源。

（2）供电分系统应具有电流型漏电保护和电压型漏电保护，当漏电流大于30mA，漏电开关动作，切断电源；当车体地、告警地间漏电压大于36V时，声光告警并切断电源。

（3）供电分系统应具有过流和过压保护，当输入交流电源的电流超过整车最大工作电流的125%时，或输入电源电压大于280V时，应切断电源。

（4）应针对车内电源线进行强化固定，提高线路的整体刚性，防止振动疲劳损坏。

（5）车内电气回路中所有带电金属部件应加装防护，所有接线端子加装防护套管。供电系统的电缆线和导线，在承载能力、耐压指标及满足使用环境方面应有足够的裕量设计。

（6）系统在防火安全方面需要进行强化设计，包括舱内壁采用防火材料，具有足够的抗灼烧能力，车内使用材料应具有不自燃性和阻燃性，车内舱内配置灭火器具，在工作舱、驾驶舱和设备舱等主要部位均应设置，并采用快锁方式安装，方便快速取放。

（7）对整车的机械安全，集成设计应确保所有机械连接牢固可靠、不松动，机柜和设备的外露部位、拐角、边缘处均倒圆处理，车内所有座椅均应配备安全带。

（8）整车应具有感应雷防护措施，分别在电源线、天馈线、信号线在车体入口处安装避雷装置。

（9）在车辆工作区域的高压部位、高温部位、机械危险部位均应在明显位置安装安全标识，标识格式可参考ISO 3864-2004《图形符号——安全颜色和安全标示》相关要求精心设计。

1.6 稳定性设计

车辆稳定性是关系整车安全和机动性的重要性能指标，是车辆正常工作、乘员生命安全的基本保障。其设计原则是上装设备、随车附件以及驾乘人员的总质量不能超过车辆底盘核定载重质量。

车辆改装后应尽量保证原底盘的机动性能，保持原底盘的整体结构。设计过程中应合理分配设备布局，重点调配大质量设备在车内的分布，将大质量设备的安装尽量靠下，以降低重心。此外，应在设计阶段通过三维设计估算整车的质心位置、轴荷分配、横向稳定性和纵向稳定性，并通过配重等手段调整质心。

1.7 电磁兼容性设计

车辆集成设计的电磁兼容性目标应至少包括：车内所有设备同时工作时，整车系统能够正常工作；在车门、车窗关闭的情况下，上装设备满负荷工作不危及车内操作位人员和车辆的安全。

系统电磁兼容设计包括底盘电气系统测试与防护加固设计、电子信息系统电磁兼容设计、信号互连及滤波设计、接地设计。

（1）系统总体方案设计时即应考虑电子信息系统的电磁兼容性。通过测量电磁发射特性和敏感度特性，对各电子设备进行数学建模，以N-N的形式遍历预测分析得出全系统的耦合干扰矩阵。以此找出潜在的电磁兼容短板，进而进行干扰抑制设计，或降敏设计，或耦合路径控制设计。

（2）整车信号互连及滤波设计，应通过对车内设备问各互连关系、接口类型、传输速率等进行分析后，确定电源与信号线互连设计方案。通常，选用的射频互连电缆应在其工作频段范围的高屏蔽效能，低频信号传输线应尽可能选屏蔽线，屏蔽层应与连接器金属壳体360°电连接，避免出现“抽头”；可采用屏蔽热缩管或丝网编织带在搭接处进行导电连接；对于电源系统，应采用双线设计，地线与回线分开，免用车体直接作为电源回线，并根据设备类型和电源配置，综合考虑结构布局，利用滤波分线盒配电，避免上装设备之间的因电源传导而引起的互扰。

（3）车内应设计接地系统。采用高电导率且耐环境适应性的金属材料作为地线汇集线，并在车内与车体绝缘，仅在车辆系统接地点可靠相连。设备信号地线端子、安全地线端子、重要设备的防雷地线就近与该地线汇集线相连，连接导线应采用多股铜芯线，地线汇集线与车体的系统接地点采用多股编织线连接。车外接地系统主要包括车壁接地端子和车外接地体。车壁电源壁盒内应至少设置车体地和测量地两种接地端子，分别用于车体接地和监测车体接地性能。

1.8 防雷设计

对于电子信息类车辆，尤其是集成了无线电通信系统的车辆，应做好系统防雷设计。根据集成车辆的特点及其内部电子系统的结构进行整体防雷设计，在保证任务系统正常工作的前提下，避免感应雷击对任务系统的影响。

防雷系统应至少具备两级防雷措施，分别是天馈系统防雷、电源及信号壁盒防雷。通过对天馈系统、电源回路、信号回路等加装防雷模块，并对整车进行等电位连接，将系统感应到的雷击危害降低到设备能承受的范围内。防雷设计的要点包括：

（1）根据不同系统及线路的电气特性、接插件形式、传输信号等参数，选择与之相适应的防雷模块。防雷模块就近接地，以保证泄放电流的途径尽量短，让产生的感应雷击能量在最短时间内通过防雷接地系统泄放到大地。

（2）在电源线的引入端应设置避雷器，防止遭受感应雷击时破坏供电系统及用电设备。当供电线路有雷电侵入或出现操作瞬时过电压时，防雷模块立即导通，将雷电过电压或瞬时过电压限制在用电设备允许承受的电压范围内，从而保护电子设备正常运行。而当雷电过电压或瞬时过电压结束以后，防雷模块又迅速地恢复到高阻状态，不影响供配电系统的正常工作。

（3）信号避雷器应安装在被保护设备前端，连接于信号输入线两端，当传输信号线受到雷电感应产生的过电压时，过电压、过电流迅速涌进避雷器的泄放支路泄放到地，并将电压、电流嵌住在设备允许的范围内，确保设备的安全运行。

（4）整车设计车体地、测量地接地端子，停车工作时通过地钉与大地连接，车内布设低阻抗的地线汇集线，将系统所感应的雷电能量通过接地系统泄放至大地，以保证人员和设备的安全。

1.9 综合布线设计

整车的布线系统是信息流的物理体现，其设计基本原则包括：

（1）电源线缆与信号线缆尽量分开布设，以符合电磁兼容原则。电源线应选用屏蔽电缆。传输低频信号的线缆应选用屏蔽线，双绞线纽绞次数不低于每米23次。

（2）应尽量考虑维修和操作方便，线缆布设长度应留有一定余量。但冗余设计带来的形变不应对线缆造成损坏。

（3）车内同路径的线缆需成束捆扎，并在适当位置进行固定，保证线缆在车辆行驶、振动等情况下不脱落。线缆与不规则的表面接触时，采取防护措施。线缆在穿过金属材料的孔洞时，孔洞处应安装防止磨损线缆的防护装置。

（4）车内布线尽量采用暗线方式和走线槽方式，走线槽的盖板应可快速拆卸，方便维修和更换线缆。在各段线槽外部明显位置应设置标识，标明在此段线槽中布设的线缆编号，以便于线缆的检查、维护与整理。

（5）对于线缆的电气安全性，应做到交流电源线之间及交流电源线对车体之间，能承受直流电压1500V（门限电流1mA）在1分钟时间内不击穿；直流电源线之间及直流电源线对车体之间，应能承受直流电压500V（门限电流1mA）在1分钟时间内不击穿；信号系统的导线、电缆和接插件应能承受直流电压500V（门限电流1mA）在30秒时间内不击穿。

（6）车内设备接地线与车体应保持良好接触，设备接地端到车体地接线端子间的电阻应不大于20mΩ，所有属于电气连接的点，其搭接直流电阻值应不大于2.5mΩ。

1.10 维修性、保障性设计

（1）在维修性设计方面，应在结构设计上做到维护修理可达性强，便于各上装设备的维修和更换，且安装和拆卸尽量不使用专用工具。检查点、测试点、检查窗应布置在易于接近的位置，测试点、标记控制点及显示点应设计在明显的位置，显示及指示应设计于观测人员的视距范围内。

（2）在保障性设计包括使用保障性和维修保障性。使用保障设计应尽可能地利用现有的保障资源，如采用统一的保障设备、备品备件、维修工具等；尽可能地采用成熟的技术，如降额设计和热设计等减少故障的概率；各种组部件采用模块化设计，缩短维修时间，且在安装、排列布局上充分考虑人机工程，配备必要的维修工具和仪表。维修保障性设计应设计相应的保障资源，包括随配各种使用手册、维修手册、组件清单和履历书等技术资料；随车应配备必要的备件，备件清单详细准确，备件包装和存放合理；在集成车辆出厂文件中标明提供关键零部件供方单位的名单。

2 集成车辆关键性能仿真技术

仿真设计技术在国内已应用多年，它能够对技术风险进行有效的预估并指导优化设计。但目前的成熟应用主要在个别要素设计范围内，如：结构应力仿真、热设计仿真等，一定程度上促进了科学化设计的进步。但可靠性仿真、保障性仿真、安全性仿真、虚拟装配视景仿真等单学科仿真则相对滞后。各个学科只注重本学科的技术指标最优，而各个学科技术指标往往相互矛盾。目前还缺乏对多学科技术指标进行折衷平衡手段和协同优化仿真软件，而且还缺乏一套对这些仿真结果进行科学权衡的机制。

车辆综合效能仿真设计是融合诸多相关领域的先进设计方法、先进仿真手段、先进评价技术来进行车辆集成设计的综合应用技术。该项技术在车辆各性能指标的量化分析基础上将集成对象进行全数字化建模、在设计手段上利用数字化模型进行参数化设计以及数字化仿真，最终形成各项性能指标的量化计算结果。集成对象的数字化模型通常涵盖对象的尺寸、重量、功耗、材料以及各项性能参数等属性，这些属性作为各类仿真设计的基础信息导入相应的仿真与评价系统中，结合设计的具体方案进行各类仿真、评价与优化设计，从而得到综合性能最大的设计方案。综合效能仿真设计主要包括以下方面：

2.1 系统电气特性仿真设计

基于物理原型对车辆电源系统的各个子部件进行建模，从而进行整车电源系统的一体化系统仿真和优化，包括对车辆在直流电源系统瞬态特性情况下的纹波电压、浪涌电压、尖峰脉冲电压、起动扰动电压等特性进行仿真分析，进而对车辆供配电系统与设备用电进行优化设计。

2.2 系统热仿真设计

对集成系统的热环境进行模拟，通过分析系统的温度场和流场的分布情况，以及大发热量设备在工作时的温度分布，进行系统的稳态、瞬态热传导和热辐射优化，设计空气对流通道，从而优化系统的环境控制能力和可靠性。

2.3 系统照度仿真设计

采用专业照度仿真的方法，通过在系统布局设计中配置照明参数、内部材料以及照明器具的位置等，对全局照明进行仿真计算，并对灯源选择及其布局位置进行优化调整，为集成车辆提供最佳的人机操作环境和舒适性。

2.4 系统噪声仿真设计

结合系统内结构件、装饰件和上装设备的材料及布局，通过模拟分析噪声问题产生的根源，控制振动结构的辐射噪声，在集成设计中优化车辆系统的环境品质。同时，将结构的动力学载荷和一系列结构模态作为输入条件，计算系统内的表面振动，基于这些结果计算得出人员操作位的总辐射噪声和声压级别，从而进一步减少对人员的心理影响和生理影响。

2.5 系统集成工艺仿真设计

对系统集成实施过程中的焊接与热处理工艺进行仿真，综合考虑焊接过程中的电磁、热、金属学、结构、扩散析出等因素的多物理场模拟，真实模拟车辆集成中焊接导致的热应力、残余应力、塑性应变等，设计时充分考虑车辆集成加工热处理过程中的物理现象，以保证系统的结构稳定性和机械安全性。

2.6 系统电磁兼容性仿真设计

在进行具体设计时，应本着理论分析与实际测试相结合的原则，采用基于计算电磁理论的系统电磁兼容仿真方法，对系统进行详细的模拟仿真，将计算结果与实测结果进行对比，修改分析模型，预设计各种电磁发射抑制措施。实际系统设计通常需要进行多次“仿真→设计一测试→改进设计→仿真验证一测试”的反复过程，并不断改进设计，最终达到系统要求。

天线作为无线电设备的收发通道，以发射电磁波的接收电磁波为主要功能，因此电子信息系统电磁兼容设计的重点是无线电的干扰控制。天线布局设计的主要依据包括天线辐射方向图、天线间耦合度等。天线间的耦合度越大，相互耦合就越强，产生的相互干扰也越强；而实际装车条件下的方向图反映了相应上装天线在不同方位上的增益变化，直接影通信距离，需要避免出现在某一方向的方向图畸变严重的情况。因此，天线布局设计应以减小耦合度为目标，并综合天线的方向图分析得出最优的布局方案。

对于系统工作时的电磁辐射危害，应在设计阶段进行仿真预估和控制，以保证人员和燃油的安全。可通过对系统建立三维模型和数字模型，利用全波电磁仿真分析的方法，计算大功率无线电系统工作时的电磁场分布，从而在设计阶段找出车内、车外可能存在的辐射超标区域，并通过优化系统布局或天线布局，以低成本的方式达到电磁屏蔽处理的效果，避免潜在的电磁辐射危害

3 结论

通过提炼总结集成装车设计中的技术要点，给出了各设计点的设计原则和通用要求，并在此基础上引入了综合效能仿真设计，为提升集成车辆的综合效能提供了解决思路和技术基础，对车辆系统集成设计具有一定的指导借鉴意义和参考价值。

[1] 马谢.系统电磁兼容仿真[D].成都:电子科技大学,2010.

[2] 马谢,沈冬远.机动通信系统的电磁环境效应分析与控制[J].通信技术,2013(7):146-150.

[3] 王红.电磁兼容在通信设备结构设计中的应用[J].通信技术,1996 (3):36-40.

[4] 白同云.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社,2001:113- 119.

Study of vehicle integration design and simulation techniques

Hu Jiang, Ma Xie

（Chengdu Jinyihengxin Technology Co., Ltd., Sichuan Chengdu 610036 )

Vehicle integration is the very common in the field of system integration. System performance design is a significant part in the whole process of system integration. This paper describes the key points of performance design including modification of vehicle chassis, design of layout, design of power supply and distribution, design of human-machine-environment, design of system safety, design of electromagnetic compatibility, design of protection against lightning, design of cabling system, and design of maintainability and supportability. Detailed descriptions about design principles, design essentials and general requirements for these key points are presented. Furthermore, for the critical performances of the system, ideas and basic methods of performance simulation techniques are proposed. For improving the comprehensive performance of integrated vehicles, this paper provides the technical bases and references.

Integrated vehicle; Integration design; Vehicle integration scheme; Simulation

U462

A

1671-7988(2019)18-70-05

U462

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1671-7988(2019)18-70-05

胡江，学士，高级工程师，就职于成都锦逸恒信科技有限公司，研究方向：车辆集成与电子电气设备维保等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.024