多軸重型特種車(chē)耐久性虛擬試驗(yàn)方法研究

張永闊，呂永志，王 璽

多軸重型特種車(chē)耐久性虛擬試驗(yàn)方法研究

張永闊，呂永志，王 璽

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

車(chē)輛耐久性是車(chē)輛產(chǎn)品主要性能指標(biāo)之一，如何對(duì)車(chē)輛產(chǎn)品進(jìn)行耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，并提升其耐久性，是當(dāng)今車(chē)輛技術(shù)中的研究熱點(diǎn)?；趯?shí)測(cè)道路譜建立三維數(shù)字化虛擬跑車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)，以某多軸重型特種車(chē)為研究對(duì)象，建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，通過(guò)整車(chē)虛擬跑車(chē)試驗(yàn)獲取零部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用典型路況的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)三橋上橫臂進(jìn)行疲勞壽命分析。研究結(jié)果表明，耐久性虛擬試驗(yàn)方法可行。

特種車(chē)；車(chē)輛耐久性；虛擬試驗(yàn)；道路譜

0 引 言

車(chē)輛耐久性是車(chē)輛產(chǎn)品主要性能指標(biāo)之一，如何對(duì)車(chē)輛產(chǎn)品進(jìn)行耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，并提升其耐久性，是當(dāng)今車(chē)輛技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。車(chē)輛耐久性試驗(yàn)分為試驗(yàn)場(chǎng)外場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等。其中外場(chǎng)試驗(yàn)和道路模擬試驗(yàn)均屬于實(shí)物試驗(yàn)，需要在具備物理樣機(jī)的條件才能進(jìn)行[1]。外場(chǎng)試驗(yàn)常常由于司機(jī)、環(huán)境和試驗(yàn)跑道導(dǎo)致結(jié)果離散性大；室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)與外場(chǎng)試驗(yàn)均存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高等特點(diǎn)。采用虛擬試驗(yàn)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段建立虛擬樣機(jī)，針對(duì)產(chǎn)品投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真，分析薄弱環(huán)節(jié)，提前進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，可大大縮短產(chǎn)品研制周期，降低研制成本。

多軸重型特種車(chē)機(jī)動(dòng)運(yùn)輸為其主要使用剖面，往往需要經(jīng)歷嚴(yán)酷的振動(dòng)與沖擊環(huán)境，易造成其關(guān)鍵部位或薄弱環(huán)節(jié)損傷失效。目前制約多軸重型特種車(chē)輛耐久性研究的主要問(wèn)題有：實(shí)物試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)信息少、試驗(yàn)等效性不清、滯后于研制流程等。因此采用虛擬試驗(yàn)方法研究多軸重型特種車(chē)關(guān)鍵部件的疲勞耐久性，對(duì)于加快研制進(jìn)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要意義。

本文首先基于試驗(yàn)場(chǎng)道路實(shí)測(cè)位移譜，建立數(shù)字化虛擬跑車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)；以某多軸重型特種車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)浞治龊湍Ｐ秃?jiǎn)化，建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型；以某橋上橫臂為研究對(duì)象，采用虛擬試驗(yàn)方法研究其在碎石路下疲勞壽命。耐久性虛擬試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 耐久性虛擬試驗(yàn)流程

1 道路譜采集及三維路面重構(gòu)

1.1 道路譜數(shù)據(jù)采集與處理

道路譜采集系統(tǒng)以車(chē)為載體，由激光位移傳感器、加速度傳感器、距離與車(chē)速傳感器實(shí)現(xiàn)路形的測(cè)量，由姿態(tài)傳感器測(cè)量車(chē)輛姿態(tài)，以對(duì)路形計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償，輔助以GPS和路面視頻子系統(tǒng)采集路面的輔助信息。激光位移傳感器、加速度傳感器和姿態(tài)位移傳感器統(tǒng)一安裝在車(chē)前的檢測(cè)橫梁中，GPS測(cè)量系統(tǒng)布置在車(chē)頂，視頻攝像機(jī)分別布置在車(chē)內(nèi)前部和后部，可以獲得對(duì)應(yīng)車(chē)前和車(chē)后的路面視頻[2]。道路譜采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，通過(guò)道路行駛得到所測(cè)路段的路面信息。

圖2 道路譜采集系統(tǒng)集成構(gòu)成

在測(cè)量時(shí)由于傳感器溫度變化引起零點(diǎn)漂移或道路本身存在一個(gè)很緩慢的坡度變化，在測(cè)試信號(hào)時(shí)間序列中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)緩慢變化的趨勢(shì)誤差。趨勢(shì)項(xiàng)的存在，會(huì)使空間域中的相關(guān)分析或功率譜分析產(chǎn)生較大的誤差，甚至低頻段完全失真，如果將未去除趨勢(shì)項(xiàng)的信號(hào)直接用于汽車(chē)的各種性能試驗(yàn)，將會(huì)直接影響試驗(yàn)階的結(jié)果。另外由于測(cè)量設(shè)備、路面狀況（存在小縫隙）、天氣狀況及電子干擾等原因，測(cè)量得到的路面信號(hào)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)不同于正常變化規(guī)律的奇異信號(hào)，這些異常數(shù)據(jù)的存在將嚴(yán)格影響信號(hào)的后續(xù)使用和分析。因此在構(gòu)建三維路面前需要對(duì)原始采集數(shù)據(jù)去趨勢(shì)項(xiàng)及剔除奇異信號(hào)。

因此本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法進(jìn)行道路路面測(cè)量信號(hào)中的趨勢(shì)項(xiàng)去除。采用文獻(xiàn)[3]中修正3σ原則對(duì)采集數(shù)據(jù)中的奇異信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，可以有效識(shí)別完整的奇異信號(hào)，避免對(duì)個(gè)別真實(shí)信號(hào)的誤判；同時(shí)采用自適應(yīng)修正方法對(duì)奇異信號(hào)進(jìn)行處理，使得修正后的數(shù)據(jù)能自適應(yīng)該段信號(hào)的整體趨勢(shì)及高頻信號(hào)特征，不影響整個(gè)路面譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性。某碎石路采集數(shù)據(jù)處理前后如圖3、圖4所示。

圖3 某碎石路段采集原始數(shù)據(jù)

圖4 某碎石路段處理后數(shù)據(jù)

1.2 三維虛擬路面構(gòu)建

三維虛擬路面比較常見(jiàn)的是RDF格式的3D等效容積路面，該路面模型是由一系列三角形的平面單元

組合成的一個(gè)三維表面。每個(gè)三角形需要3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)必須對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)；由這些節(jié)點(diǎn)按一定的規(guī)律組成路面單元，組成單元的節(jié)點(diǎn)必須是相鄰的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，在路面單元后設(shè)置路面摩擦系數(shù)，這樣就能模擬真實(shí)的路面[4]。采用RDF格式時(shí)，需要定義大量的三角形節(jié)點(diǎn)信息及單元信息，在路面精度10 mm時(shí)，長(zhǎng)1.5 km、寬4 m的路面文件約為2.4 Gbit，常規(guī)計(jì)算平臺(tái)無(wú)法加載這種路面。因此本文采用CRG格式路面，該路面是帶有路面中心線(xiàn)的規(guī)則柵格的路面文件。路面模型通過(guò)指定一條路徑中心線(xiàn)及各個(gè)規(guī)則柵格節(jié)點(diǎn)的高程來(lái)定義路面，各節(jié)點(diǎn)在路面縱橫向的間距以增量方式給出，避免定義大量節(jié)點(diǎn)信息及單元信息，從而可以靈活地對(duì)各種路面輪廓特征進(jìn)行定義。長(zhǎng)1.5 km、寬為4 m、精度10 mm的CRG格式路面文件大小約為70 Mbit，可滿(mǎn)足常規(guī)計(jì)算平臺(tái)使用?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用CRG格式構(gòu)建碎石路模型局部如圖5所示。

圖5 某碎石路局部示意

2 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建及動(dòng)應(yīng)力求解

2.1 整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

常用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件有ADAMS、Simpack和Carsim等，本文選用MSC公司的ADAMS/View虛擬樣機(jī)平臺(tái)建立多軸重型特種車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。

多軸重型特種車(chē)主要由六軸自行式底盤(pán)及上裝兩部分構(gòu)成。上裝設(shè)備艙安裝在底盤(pán)車(chē)架兩側(cè)支架上，重要負(fù)載通過(guò)耳軸與起豎托架相連。通過(guò)對(duì)整車(chē)結(jié)構(gòu)分析，在不改變載荷傳遞路徑的條件下，對(duì)模型作相應(yīng)簡(jiǎn)化。底盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)以及其它結(jié)構(gòu)負(fù)載在ADAMS中考慮為集中質(zhì)量。底盤(pán)行駛系統(tǒng)主要由車(chē)架、懸架、車(chē)輪等組成，其中懸架采用上下雙橫臂結(jié)構(gòu)，油氣彈簧上支點(diǎn)布置在車(chē)架上，下支點(diǎn)與上橫臂固連，連接位置采用剛性銷(xiāo)軸。某橋一側(cè)懸架系統(tǒng)如圖6所示。油氣彈簧采用單側(cè)分組串通方式，載荷在組內(nèi)各車(chē)輪上實(shí)現(xiàn)平衡。

圖6 某橋懸架系統(tǒng)

輪胎是車(chē)輛模型中的重要組成部分，輪胎與路面的接觸問(wèn)題以及輪胎模型如何簡(jiǎn)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在進(jìn)行不斷地探索，目前較成熟的輪胎模型有FΙALA、DELFT、SMΙTHT和UATΙRE。ADAMS根據(jù)這些輪胎模型的理論基礎(chǔ)建立了相應(yīng)的輪胎仿真模型，為整車(chē)仿真模型帶來(lái)了方便。本文選用FΙALA輪胎模型。

橫臂作為懸架系統(tǒng)中的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，傳遞地面與車(chē)體之間各個(gè)方向的力和力矩。本文以橫臂為主要研究對(duì)象，為避免二次有限元分析，因此在有限元軟件中生成帶有應(yīng)力恢復(fù)的橫臂模態(tài)中性文件。上橫臂有限元模型如圖7所示。

圖7 上橫臂有限元模型

車(chē)架是底盤(pán)系統(tǒng)中最主要的承載結(jié)構(gòu)，承擔(dān)機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、調(diào)平、起豎、彈射等工況下的總體載荷，對(duì)多軸重型特種車(chē)的剛度和安全性起著重要作用。長(zhǎng)細(xì)比較大的承載結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮其柔性對(duì)虛擬試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此對(duì)車(chē)架建立柔性體模型，如圖8所示。

圖8 車(chē)架柔性體模型

為驗(yàn)證所建車(chē)架模型精度，對(duì)車(chē)架進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，自由邊界采用輪胎支撐，如圖9所示，激振方式為錘擊法。

圖9 試驗(yàn)示意

取自由模態(tài)試驗(yàn)前六階頻率與仿真結(jié)果對(duì)比，如圖10所示。

圖10 模態(tài)結(jié)果對(duì)比

由圖10可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值基本一致，產(chǎn)生誤差主要原因?yàn)橹屋喬偠容^大。

整車(chē)全局坐標(biāo)系定義為，坐標(biāo)原點(diǎn)O在回轉(zhuǎn)支耳中心，x軸正向指向車(chē)頭，z軸正向垂直向上，y軸正向與Oxz平面成右手坐標(biāo)系。各部件之間建立相應(yīng)連接關(guān)系。最終建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，如圖11所示。

圖11 整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型

2.2 動(dòng)應(yīng)力求解

ADAMS中柔性體的運(yùn)動(dòng)方程從下列拉格朗日方程導(dǎo)出[5]：

式中 Ψ為約束方程；λ為對(duì)應(yīng)于約束方程的拉氏乘子；ξ為廣義坐標(biāo)；Q為投影到ξ上的廣義力；L為拉格朗日項(xiàng)，L=T?W，其中，T和W分別表示動(dòng)能和勢(shì)能，Γ表示能量損耗函數(shù)。求得柔性體的T, W,Γ代入式（1），可解出ξ，進(jìn)而得到模態(tài)坐標(biāo)q。

3 整車(chē)耐久性虛擬試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 整車(chē)虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證

整車(chē)虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要以試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)對(duì)象狀態(tài)、試驗(yàn)內(nèi)容和載荷譜測(cè)試數(shù)據(jù)等為依據(jù)，同時(shí)虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法應(yīng)該能夠指導(dǎo)開(kāi)展實(shí)物試驗(yàn)。因此本文進(jìn)行整車(chē)虛擬試驗(yàn)時(shí)，仿真速度設(shè)置參考前期跑車(chē)試驗(yàn)大綱中規(guī)定的速度，速度設(shè)置為30 km/h，直接在驅(qū)動(dòng)橋施加轉(zhuǎn)速，仿真時(shí)間為30 s。

采用碎石路工況下軸頭加速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。以三橋軸頭加速度為例，取前10 s內(nèi)三橋左側(cè)加速度信號(hào)測(cè)試值與仿真值對(duì)比如圖12、圖13所示，左右兩側(cè)加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

圖12 軸頭垂向加速度測(cè)試值

圖13 軸頭垂向加速度仿真值

表1 加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，加速度均方根值誤差均在5%之內(nèi)，說(shuō)明了整車(chē)虛擬試驗(yàn)的合理性與正確性。

3.2 零部件疲勞壽命分析

車(chē)輛零部件疲勞一般屬于高周疲勞研究范疇，通常用S-N曲線(xiàn)來(lái)描述部件的疲勞特性[6]。在無(wú)材料疲勞壽命曲線(xiàn)的情況下，常采用材料拉伸極限強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行估算，通常假定壽命N=103時(shí)有S103=0.9Su，Su表示材料拉伸極限強(qiáng)度，N=106時(shí)，S103=kSu，系數(shù)k反映不同載荷作用形式，對(duì)于上橫臂主要受彎曲載荷作用，k取0.5[7]。通過(guò)橫臂臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得材料拉伸極限強(qiáng)度為431 MPa，以常用的冪函數(shù)式表達(dá)材料S與N間雙對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系。擬合S-N曲線(xiàn)如圖14所示。

圖14 材料S-N曲線(xiàn)

在Ncode疲勞分析軟件中采用Von Mises應(yīng)力進(jìn)行分析，平均應(yīng)力修正方法選擇Goodman算法。載荷輸入歷程30 s為一個(gè)循環(huán)。仿真結(jié)果得出三橋上橫臂對(duì)數(shù)壽命云圖如圖15所示。

圖15 對(duì)數(shù)壽命云圖

從圖15中可以看出，三橋上橫臂最小疲勞壽命為105.93次30 s載荷循環(huán)，折合歷程約為213 000 km。結(jié)合其它路況的虛擬試驗(yàn)結(jié)果，可對(duì)橫臂多工況下的疲勞壽命進(jìn)行分析和評(píng)估，為橫臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于實(shí)測(cè)位移譜建立數(shù)字化虛擬跑車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)；以某多軸重型特種車(chē)為研究對(duì)象，建立整車(chē)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型；采用虛擬試驗(yàn)流程對(duì)三橋上橫臂進(jìn)行疲勞壽命分析。該研究提供了一種車(chē)輛耐久性虛擬試驗(yàn)的研究分析方法，該方法中數(shù)字化虛擬試驗(yàn)場(chǎng)可用于車(chē)輛平順性、操縱性等研究；整車(chē)虛擬試驗(yàn)結(jié)果除用于零部件疲勞壽命分析外，還可用于整車(chē)動(dòng)力學(xué)分析。后續(xù)可建立更加精細(xì)化整車(chē)模型，開(kāi)展整車(chē)動(dòng)力學(xué)分析和全方位疲勞壽命分析，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)，縮短研制周期。

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Study on Virtual Durability Test Method of Multi-axis Heavy-duty Special Vehicle

Zhang Yong-kuo, Lyu Yong-zhi, Wang Xi
（Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076）

Ιn this paper, a 3D digital virtual vehicle test ground is constructed based on the measured road spectrums. Taking the multi-axis heavy-duty special vehicle as the research object, a rigid-flexible coupling dynamics model of the vehicle is set up. The component dynamic response is obtained through the whole vehicle-running virtual test. The fatigue life of the up control arm of the third axles is analyzed based on dynamic stress of the typical road conditions. The results show that the virtual durability test method is feasible.

Special vehicle; Vehicle durability; Virtual test; Road spectrum

U467

A

1004-7182(2017)04-0085-05

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170420

2017-01-17；

2017-06-28

張永闊（1993-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真分析