来源：第三维度     作者：符倍维，董涛，方上钱     指导教师：曾传华，罗建     单位：西华大学 交通与汽车工程学院
     摘要：近年来，我国公路货运不断向大型化、重型化方向发展，对车流运行和安全的不利影响越来越明显，时常阻碍道路的顺畅流通。本课题针对大件运输车辆在各种道路条件下的外观通过性，提出了将其运输过程运用计算机软件进行三维模拟的方法，开发了一款能观察大件运输车辆外观通过能力及判断装载货物固定点的受力极限和实时输出钢丝绳中应力大小的三维动态模拟软件。利用 3Ds Max、Google SketchUp 等三维软件建立车辆、货物、道路模型并将建立好的模型导入到 Unity3D。在 Unity3D 开发引擎中，搭建好模拟现实的虚拟道路环境场景，对场景和三维模型进行物理化和动态化处理。
     就一种经典捆绑方式的案例分析了钢丝绳的受力情况并对其进行应力校核。最后基于java 和 C 语言编写大件运输车辆的操控脚本和摄像机的跟随观测脚本，分别实现车辆的运动与视角的变化。应用该软件分析了几例典型道路场景，为判断大件运输车辆在各种道路下的通过性提供了形象直观的可视化信息。方便人们能在计算机上模拟操作大件运输车辆，并时刻关注其运输状态以及车身通过性等实时信息。根据软件模拟输出的钢丝绳的最大应力，对捆绑所采用的钢丝绳进行选择，提高了大件运输的可靠性与安全性。
     本研究成果可初步作为教学实验与演示的一个很好平台。
     1 研究背景 
     1.1 选题意义 
     大件运输作为一个快速发展的行业，具有“专业性、规范性、安全性”的内在要求。大件运输车辆，因车货总重、外廓尺寸等超过公路规定限界，因此需制定特殊的运输方案。对于不适于超重型汽车通过的路段要改建，桥涵要加固，障碍要排除，或者采取临时措施。如绕道行驶、搭建便桥、修建便道等。对于重量和尺寸特殊的大件，必要时应先进行行车模拟试验，以检验所经公路能否通过。这些问题会一定程度上对交通的顺畅造成阻碍。在这全面建成小康社会的关键时期，我国工业化进程将进一步加快，工业设备大型化、重型化将成为发展趋势。运输超长、超宽、超高、超重货物的大件运输能否安全高效地完成任务，将直接影响我国经济建设的迅速发展。
     1.2 国内外研究现状 
     据了解，长沙交通学院、吉林大学等几个学校曾做过这方面的研究，其中长沙交通学院《公路大件运输计算机决策系统建模与软件开发》用VB编写了公路大件运输计算机决策系统，这个软件里着重介绍大件运输车辆的平板车的选型及校核、稳定性，对于车辆的外观通过性简略介绍一下。这个软件由于只是单纯的计算车辆的安全通过性，并没有对车辆的运输过程进行模拟。吉林大学《大件运输车辆外观通过性仿真研究》[1]对大件运输车辆在各种道路条件下的外观通过性进行了系统研究基于Visul C++6.0 开发了大件运输车辆外观通过能力计算与仿真软件,并且应用软件分析了几例典型案例。为大件运输车辆在各种道路下的通过性判断,提供了理论与技术支持。但是三维效果不佳，可操作性不强，限制了其在教学上的应用和推广。
     国外对于大件运输的研究已经向相当深入，目前国际上普遍应用的作业方案计算机辅助设计、电子地图与 GPS、定位通信实时监控等信息化技术。在大件运输工程中，普遍运用计算机技术制订道路大件运输方案、快速高效、只要输入货物的外形尺寸、重量、重心，以及承运车辆与运输路线等相关数据在计算机模拟系统软件包的支持下，计算机即可输出不同的备选方案，供选优决策。
     2 设计原理 
     2.1 模型设计 
     2.1.1 大件运输车辆建模[7]
    本课题采用的德国曼系 TGA 26.430 作为牵引车模型和 JG9390TJZP 半挂车为模型，其具体参数见补充材料附件 1 附表 1、附表 2。根据基本参数，使用Sketch Up软件[5]建立车辆的模型，如图 1、图 2、图 3 所示。
图1 牵引车主视图            图2 牵引车轴侧图            图3 半挂车侧视图
     2.1.2 道路建模
     大件运输车辆在不同的路况上满载行驶的情况下，会受到不同的条件约束。因此，要想准确的模拟大件运输车辆在道路上的运行情况，就要建立精确的道路模型。根据大件运输通过性研究中常见的道路特征，本课题所建立的道路模型分为交叉口、桥洞、窄桥、收费站、坡道等部分。道路的模型建立如图 4、图 5、图 6、图 7 所示。
图4 十字路口的模型    图 5 桥梁的模型       图6 收费站的模型      图7 坡道的模型
     2.1.3 货物建模
     在我国国民经济持续稳定发展的新形势下，电力、能源、冶金、化工和建材等大型工程项目相继实施。在此类工程项目中，对于一些价格昂贵，尺寸庞大，精度较高，单件重量从几十吨到几百吨，甚至上千吨的设备，需从生产供应地或港口码头在限制的时间内送至目的地。本课题根据几种特定货物的外观形状建立货物模型。大型物件的几何外观模型是使用 3Ds Max [8]建立并渲染。 货物的模型建立如图 8 所示。
  图 8 货物模型       3 大件运输的三维动态模拟 
     3.1 场景的搭建
    将建好的模型生成 FBX 格式的 3D 文件，导入到 Unity3D 的开发工程文件中。根据实际情况进行场景搭建，绘制 terrain 地形，结合导入的道路模型渲染出山地沟壑等地形，构建大件运输模拟的场景。根据设计提出的方案，搭建了十字路口、桥梁、收费站、坡道和直线加速车道 5 个场景。
     3.2 模型的封装[2] 
    将建好的模型生成 FBX 格式的 3D 文件，导入到 Unity3D 的开发工程文件中。根据实际情况进行场景搭建，绘制 terrain 地形，结合导入的道路模型渲染出山地沟壑等地形，构建大件运输模拟的场景。根据设计提出的方案，搭建了十字路口、桥梁、收费站、坡道和直线加速车道 5 个场景。
    给牵引车和挂车的模型都装上多个 BoxCollider 碰撞物理模型，逐步调试，将车身刚好完全包裹住，实现车身在 Unity 中具有碰撞的物理效果。在每个车轮上都装上WheelCollider 碰撞物理属性，调试 WheelCollider 的相关参数即模拟车轮的技术特性参数，使车轮的模拟效果更接近真实的现实情况。然后给车辆模型添加有关的 Rigibody属性，使模型具有刚体的物理属性。对于道路、建筑物等模型也要分别添加 Collider属性，这样在启动 Unity 引擎之后就能够模拟出车辆与道路的碰撞效果。
    根据场景和模型的特点调试模拟的相关参数，完成上述两步后效果如图 9 所示。
    3.3 脚本的编写 
    编辑脚本代码，本课题大部分脚本基于javascript语言[3][4]编写，编写完成之后，直接将脚本附加到相应的控制物体Object上，实现车辆的运动及相机的跟随等效果。运行Unity，观察模拟效果是否符合实际，否则重新调试相关代码、参数。再次进行重新模拟，直至效果最佳。详细脚本见补充材料附件 2。
    3.4 三维动态模拟演示 
    从 Unity 3D 中生成“大件运输动态模拟”EXE 可执行程序文件，双击打开该程序，点击“Enter”进入到选择界面，选择相应的场景即可操控车辆，开始进行动态模拟演示。效果如图 10～图 17 所示。
图9 Unity3D操作界面         图10 欢迎主界面           图11 场景选择界面
图12 十字路口动态模拟       图13 桥梁动态模拟            图14 收费站动态模拟

图 15 坡道动态模拟          图16 实时数据显示             图17 直线加速模拟
    3.5 实时数据显示 
    大件运输货物设备超大超长超重，其装载加固是一个难点，首先，大件设备在装载之后克服其移动力是很大的，因此加固应保证承接住运输中各种力的作用，保证产品在运输过程中不移位、不倾覆、不磨损。
    不同的加固方式，对大件运输货物力作用不同，使得其可靠性和安全性有很大差别。
    本课题受经典的“井”字型捆绑方式启发，根据捆绑级别及要求(见附件 1 附表 3)，利用 3D Max 进行货物和钢丝工装建模，导入 Unity 3D 加载货物模型如图 18 所示。
图18 货物模型受力分析
    根据汽车理论知识可得计算公式如下：
    牵引车的驱动力计算公式：


    式中：Ftη—牵引车的驱动力，N；M—发动机最大输出扭矩，N·m； i—牵引车总减速比； —牵引系总传动效率，一般取 0.81～0.86；R 一驱动轮滚动半径，m。
    理论上[6]汽车在水平道路上等速行驶时必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力，当汽车在坡道上上坡行驶时还必须克服坡度阻力，此外在加速行驶时还将受到加速阻力的影响，上述这些阻力的叠加就构成了汽车的行驶阻力，一般在良好的混凝土或沥青路面上，车组的行驶阻力计关系式：

                

    式中， ∑F 一汽车行驶阻力，N； Fi ——上坡阻力，N； Fw ——空气阻力，N； Fj ——加速阻力，N： Ff ——滚动阻力，N。
    根据驱动力与行驶阻力的平衡关系，建立汽车行驶方程式：

    在公里大件运输工程实践中，运输车辆行驶中的受力与行驶的汽车一样，但是，其行驶速度一般不超过 10km/h，虽然车组的迎风面积较大，但相对于车组所受的其他阻力而言是很小的，因此在一般情况下空气阻力可忽略不计，即Fw=0，本课题模拟车辆在平直公路上的加速情况，即Fi( ) Ft Ff dt mdua − ⋅ = = δ1=0。
    经上述公式推导，可得： 


    式中：δ ——换算系数；m——汽车总质量，kg； ，
    对货物模型进行受力分析，在直线加速过程中，钢丝绳应力为：


    由于货物与承载板之间静摩擦数值大小不均匀变化，为简化计算，在 javascript 语言编写中假设 f 为一定值且方向与车辆的加速度方向一致。在 Unity 3D 中，实现了对大件运输车辆模型速度、加速度、钢丝绳应力的实时状态显示，如图 19 所示。

图19 实时数据显示窗口     图20 钢丝绳最大值显示      图21 钢丝绳预紧力显示
    3.6 钢丝绳应力校核
    将相关数据带入公式 3-6 计算所得的Fu值为 106666N。查附件 1 表 1-4，采用 19.5mm的钢丝绳对集装箱进行加固，其单股钢绳的最大拉破力为：197500N，通过软件模拟,所得钢索最大拉力值约为 106151N，如图 20、图 21 所示。因此此拉力不会使钢绳断裂，满足应力要求。当车速达到最大值时，通过实时数据显示窗口可读出钢丝绳预紧力为66596.45N，如图 20、图 21 所示。
    4 总结和展望 
    基于 Unity3D 这样一个多平台的专业 3D 游戏开发引擎，在其可视化的创作环境下，动态模拟了大件运输过程。人机实现了逼真的互动，同时提供了多方位视角观察，能让操作者在模拟运输过程中全方位地观察了解车辆的通过性。此外还能输出直线加速情况下车辆的运动参数及“井”字型捆绑方式钢索的受力情况。该三维软件可视性佳、操作简单、专业性强，能够面向学生实现大件运输实验与演示。有较好的创新效果。
    4.1 创新特色 
    对集装箱进行加固，其单股钢绳的最大拉破力为：197500N，通过软件模拟所得钢索最大拉力值约为 106151N，如图 20、图 21 所示。因此此拉力不会使钢绳断裂，满足应力要求。当车速达到最大值时，通过实时数据显示窗口可读出钢丝绳预紧力为66596.45N，如图 20、图 21 所示。
    4.2 应用前景
    该软件为大件运输车辆在各种道路下的通过性判断提供了形象直观的视觉效果，方便人们能在计算机上模拟操作大件运输车辆并时刻关注其运输状态和车身通过性等实时信息。本课题给出了通过使用 Unity3D 实现对大件运输车辆特定捆绑方式下加固装置受力模拟的案例，为以后研究不同捆绑方式不同行驶情况的加固装置的受力分析提供了依据。本研究成果可初步作为教学实验与演示的一个很好平台。因此，值得关注，前景十分广阔。
    4.3 不足和改进 
    本课题还有许多不足之处，第一，模型的外观制作还不是很真实，渲染方面还有待改进；第二，受力分析方面，只针对大件运输车辆直线加速情况、特定捆绑方式下的受力进行了模拟，应用面较窄。对上坡、转弯时的行驶状况没有进行深入地分析与模拟。
    但是我们会在接下来的日子里继续学习钻研，争取尽可能地更真实模拟大件运输的过程。最好还能连接数据库，可选择不同的运输车辆、货物、装载方式、场景等进行计算，完善成一款多功能的大件运输教学仿真模拟软件。
    参考文献
    [1] 王心磊．大件运输车辆外观通过性仿真研究．吉林大学． 2007
    [2] 程明智，王一夫．Unity 游戏开发技术．国防工业出版社．2012
    [3] 米歇尔·梅纳德．Unity 游戏开发实战．机械工业出版社，2012
    [4] 威尔顿，麦可匹克．JavaScript 入门经典．清华大学出版社．2009
    [5] 马亮，王芬，边海．SketchUp Pro 8.0 完全自学教程．人民邮电出版社．2012
    [6] 余志生．汽车理论，机械工业出版社．2012
    [7] 王望予．汽车设计，机械工业出版社．2012
    [8]瞿颖健，曹茂鹏．3ds Max 2012 完全自学教程．人民邮电出版社．2012
    [9]卓文．3DMax9.0 精品教程 ．航空工业出版社．2010
    [10]刘鸿文．材料力学 I ．高等教育出版社．2004
    [11]沈江．重大件货物系固的计算方法．大连海事大学学报．2008，34（增刊）:54-56
    [12]陈宽民，严宝杰．道路通行能力分析．人民交通出版社．2003