基于3D數(shù)字路面的整車耐久性能評(píng)價(jià)方法研究

孫成智，段向雷，翁 洋，王光耀

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

基于3D數(shù)字路面的整車耐久性能評(píng)價(jià)方法研究

孫成智，段向雷，翁 洋，王光耀

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

鑒于傳統(tǒng)的路譜采集方法受限于樣車試驗(yàn)，開發(fā)周期長，且無法有效預(yù)測后期參數(shù)變化和評(píng)估全新車型，本文中在傳統(tǒng)整車動(dòng)力學(xué)載荷分析的基礎(chǔ)上，建立了輪胎高頻模型和試驗(yàn)場3D數(shù)字路面模型，提出了路面-輪胎-懸架-車身的這一完整傳遞路徑的整車虛擬路譜動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和耐久性能評(píng)價(jià)方法。通過生成基于3D數(shù)字路面的動(dòng)態(tài)載荷，可在項(xiàng)目開發(fā)早期進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)耐久性能評(píng)估。結(jié)果表明，用此方法獲得的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)輪心力傳感器采集的路譜數(shù)據(jù)相當(dāng)接近，能有效識(shí)別零件的風(fēng)險(xiǎn)位置和逐步免除開發(fā)階段的路譜數(shù)據(jù)采集，在開發(fā)早期實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久性精確評(píng)估。

輪胎模型；3D數(shù)字路面；虛擬路譜；載荷預(yù)測；疲勞耐久性

前言

隨著汽車行業(yè)競爭日趨加劇，如何在項(xiàng)目開發(fā)早期設(shè)計(jì)出滿足苛刻道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證的產(chǎn)品，減少道路耐久試驗(yàn)出現(xiàn)問題，對(duì)減少項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間和成本有重要意義。在現(xiàn)有評(píng)估體系中，基于整車道路耐久試驗(yàn)獲取整車道路載荷譜是整車研發(fā)中非常關(guān)鍵的一環(huán)。道路試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)模擬客戶使用環(huán)境，準(zhǔn)確地找到整車存在的隱患，特別是底盤結(jié)構(gòu)件的疲勞耐久問題，是整車研發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。

上汽自主品牌底盤開發(fā)一直按RLM(road-labmath)開發(fā)策略，走正向開發(fā)路線。目前所有上汽自主品牌車型都需完成兩輪耐久道路試驗(yàn)，但隨著項(xiàng)目開發(fā)周期的不斷縮短，道路耐久試驗(yàn)周期長的問題變得更加突出，亟待解決。特別是在車輛前期開發(fā)階段，沒有樣車、沒有實(shí)際零件的條件下，如何進(jìn)行零件的強(qiáng)度校核和疲勞壽命預(yù)測，傳統(tǒng)載荷獲取方式正面臨著嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

隨著車輛動(dòng)力學(xué)分析能力的不斷發(fā)展，高精度的輪胎模型、懸架模型已經(jīng)逐漸應(yīng)用到結(jié)構(gòu)耐久開發(fā)中，基于輪胎與路面激勵(lì)的整車動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)——虛擬路譜技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外逐漸發(fā)展起來。GM、克萊斯勒、寶馬、菲亞特、路虎、麥格納等已經(jīng)在整車結(jié)構(gòu)性能開發(fā)中使用帶輪胎、路面的虛擬路譜環(huán)境進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷分析。文獻(xiàn)[1]中使用激光掃描方法建立了數(shù)字路面，并應(yīng)用虛擬路譜計(jì)算道路譜載荷。文獻(xiàn)[2]中使用虛擬路譜計(jì)算了扭轉(zhuǎn)梁懸架的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并與試驗(yàn)對(duì)比了應(yīng)變信號(hào)。文獻(xiàn)[3]中通過建立整車動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比了Rough road和比利時(shí)石塊路的輪心載荷PSD譜，主要峰值頻率的幅值較為接近，分析精度較高。上述研究主要研究了輪心載荷和懸架內(nèi)部力的試驗(yàn)相關(guān)性，但沒有研究對(duì)結(jié)構(gòu)損傷等耐久性能的影響。國內(nèi)在此方面的研究則多集中在有限元環(huán)境下，文獻(xiàn)[4]中建立了VPG環(huán)境下的整車有限元模型，計(jì)算了比利時(shí)路、扭曲路等整車結(jié)構(gòu)載荷，對(duì)比了動(dòng)應(yīng)力和偽損傷?；赩PG方法在有限元環(huán)境下可以建立整車模型。該模型過于龐大，而且輪胎、襯套等彈性件的有限元模型建模也較為復(fù)雜，分析精度不易保證，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。

本文中在上述研究的基礎(chǔ)上，探索在動(dòng)力學(xué)分析環(huán)境下建立整車虛擬路譜模型，通過對(duì)3D數(shù)字路面、高精度輪胎模型、襯套懸置等彈性元件模型、動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)標(biāo)等系列技術(shù)的深入研究，建立路面-輪胎-懸架-車身的這一完整傳遞路徑的整車虛擬路譜動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和整車結(jié)構(gòu)件耐久性能評(píng)價(jià)方法，為底盤、車身提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)載荷用于疲勞仿真，也可作為臺(tái)架試驗(yàn)的輸入載荷，減少開發(fā)階段路譜采集，在項(xiàng)目早期實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久性能評(píng)估。

1 虛擬路譜數(shù)字路面-輪胎模型

路譜載荷分解過程并不包含輪胎模型，虛擬路譜分析則是在數(shù)字路面上直接進(jìn)行輪心載荷甚至零部件載荷的輸出。其中數(shù)字路面可由激光掃描得到，分辨率可達(dá)1mm級(jí)，能夠準(zhǔn)確描述三維路面不平度信息，但需要一定的數(shù)據(jù)處理[5]。用于整車平順、耐久性能分析的輪胎模型所要求的頻率范圍一般較高，如圖1所示，一般以Swift、FTire和有限元等輪胎模型為主，以便較好地反應(yīng)整車在短波不平路面、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下輪胎-懸架等復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖1 輪胎模型分類

1.1 虛擬路譜數(shù)字路面模型

本文中采用激光掃描設(shè)備，對(duì)路面進(jìn)行三維掃描和建模。圖2為激光掃描的設(shè)備實(shí)車圖，有2組激光傳感器探頭，架設(shè)于采集車后方，分別采集一定角度范圍內(nèi)的路面信息，經(jīng)過2組傳感器數(shù)據(jù)的比對(duì)、重合處理，生成被掃描路面的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 三維激光掃描設(shè)備實(shí)車圖

由于激光掃描傳感器分辨率較高(約1mm)，原始數(shù)據(jù)往往過大，還會(huì)包含有較多雜物如小石塊、雜草等額外的非路面特征，不能直接用于后續(xù)的整車動(dòng)力學(xué)仿真，需對(duì)原始路面數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，經(jīng)過路面網(wǎng)格修補(bǔ)，刪掉過于密集的局部小特征，保留光順的特征線[5]。

網(wǎng)格尺寸對(duì)于仿真精度有一定的影響，其中5mm×5mm相對(duì)于10mm×10mm和15mm×15mm網(wǎng)格的精度提升分別為9.5%和16.8%[6]，分析表明，5mm×5mm的計(jì)算效率也能夠滿足虛擬路譜仿真要求，由此綜合考慮精度和效率因素，選取5mm×5mm作為路面分辨率輸出CRG和RGR格式路面，如圖3所示。

最后，對(duì)掃描得到的路面模型進(jìn)行驗(yàn)證。本文中選取試驗(yàn)場中指定測點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際測量，與掃描路面沿單位前進(jìn)方向上的垂向高程偏差控制在10%以內(nèi)，其中隨機(jī)路面(比利時(shí)路)多個(gè)測點(diǎn)需滿足一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，盡量減少由路面引起的系統(tǒng)誤差。

圖3 路面點(diǎn)云模型

1.2 輪胎動(dòng)力學(xué)模型

常見的輪胎平順性和耐久性分析模型中，Swift為剛性環(huán)模型，無法表示輪胎胎體高階徑向特性。如果考慮到胎體的連續(xù)變形，則需要將胎體作為離散可變型單元表示，如CD-Tire和FTire，能夠表示胎面連續(xù)變形，圖4所示的柔性環(huán)輪胎模型的徑向加速度頻譜，表現(xiàn)出比較明顯的階次頻率[7]。

圖4 柔性環(huán)輪胎模型徑向固有頻率

整車平順性、耐久分析工況的系統(tǒng)分析頻率可達(dá)到20～50Hz，如果考慮發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)，所要求的頻率范圍會(huì)更高，而且輪胎接地印跡內(nèi)會(huì)有比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)、黏著特性，傳統(tǒng)的剛性環(huán)點(diǎn)接觸模型對(duì)于復(fù)雜短波路面并不適用。本文中使用柔性環(huán)FTire輪胎模型，如圖5所示，采用Maxwel單元、摩擦單元和超彈、阻尼單元等并聯(lián)表征胎面與輪輞之間的胎體超彈、黏彈和遲滯效應(yīng)，圖中F表示摩擦單元，d表示阻尼單元，c表示彈性單元。本文中使用FTire/fit軟件定義的試驗(yàn)工況對(duì)輪胎模型進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

圖5 FTire輪胎胎體徑向連接單元

圖6 為FTire輪胎參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)和Cleat凸塊動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證試驗(yàn)，分別進(jìn)行輪胎靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度和扭轉(zhuǎn)、縱向側(cè)偏滑移特性分析，獲取輪胎模型參數(shù)。并通過Cleat凸塊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，輪心垂向力精度一般較高，對(duì)于縱向力、側(cè)向力等方向的誤差，可通過調(diào)整部分參數(shù)進(jìn)行修正。圖7為穩(wěn)態(tài)回正工況和斜置Cleat凸塊工況試驗(yàn)與FTire仿真對(duì)比。輪胎回轉(zhuǎn)力矩與試驗(yàn)的一致性非常好，表明輪胎模型的穩(wěn)態(tài)摩擦特性、縱滑特性精度較高，Cleat凸塊中輪心垂向力能較好地跟隨試驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)輪胎在路面不平度激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖6 輪胎參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)

圖7 FTire滑移特性和Cleat凸塊動(dòng)態(tài)對(duì)標(biāo)結(jié)果

2 基于3D數(shù)字路面的整車動(dòng)力學(xué)仿真與對(duì)標(biāo)結(jié)果

在路面、輪胎模型基礎(chǔ)上，建立虛擬路譜整車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)場環(huán)境下的整車動(dòng)力學(xué)特性分析、載荷發(fā)布和支持耐久性能評(píng)估。

2.1 整車動(dòng)力學(xué)模型與驗(yàn)證

基于已開發(fā)的整車自動(dòng)化建模分析流程，可實(shí)現(xiàn)由零部件級(jí)性能曲線到整車模型自動(dòng)化建模及K＆C工況自動(dòng)分析的整套流程，通過襯套、減振器和緩沖塊等彈性體特性試驗(yàn)，獲取涵蓋線性、非線性段的特征曲線(如圖8所示)，集成FTire輪胎模型建立整車動(dòng)力學(xué)分析模型，如圖9所示。

圖8 襯套特性試驗(yàn)及非線性剛度

圖9 整車自動(dòng)化多體動(dòng)力學(xué)模型

經(jīng)過K＆C對(duì)標(biāo)后，本文中依據(jù)試驗(yàn)測得的輪心力和懸架內(nèi)部桿件、球頭力，采用傳統(tǒng)載荷分解方法對(duì)整車模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證，圖10為某車型在路譜載荷激勵(lì)下的輪心加速度、彈簧位移對(duì)標(biāo)情況(左前輪LF)，具有較高的仿真精度。

圖10 整車動(dòng)態(tài)載荷對(duì)標(biāo)

2.2 虛擬路譜載荷分析與耐久性能評(píng)估

虛擬路譜分析的一個(gè)顯著特點(diǎn)是引入了“駕駛”的概念，從而不依賴于實(shí)車路譜采集而直接獲取整車的零部件載荷。由于實(shí)際試驗(yàn)場規(guī)范中存在較多的駕駛操作，如急加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、勻速等，因此需要對(duì)整車模型進(jìn)行一定的駕駛控制，如軌跡和速度控制，以按照耐久規(guī)范進(jìn)行特定駕駛行為的虛擬路譜仿真。

本文中采用駕駛跟蹤補(bǔ)償?shù)目刂撇呗訹8]，以PID控制方法實(shí)現(xiàn)，如圖11所示?；诔跏捡{駛參數(shù)操縱車輛前進(jìn)，并與預(yù)期的目標(biāo)軌跡、速度進(jìn)行對(duì)比，一旦出現(xiàn)偏差，則通過整車駕駛行為(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、制動(dòng)、油門開度)對(duì)行駛軌跡進(jìn)行補(bǔ)償、修正，直至車輛模型的行駛軌跡、速度與目標(biāo)在誤差范圍內(nèi)，如圖12所示，整車駕駛軌跡和速度基本與試驗(yàn)采集的目標(biāo)速度和軌跡保持一致。

圖11 駕駛跟蹤補(bǔ)償控制

至此，可根據(jù)試驗(yàn)場的耐久考核規(guī)范，在某試驗(yàn)場虛擬結(jié)構(gòu)路面上進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)分析，整車模型按照預(yù)定的軌跡和速度行駛，如圖13所示，同時(shí)輸出輪心、底盤和車身各連接點(diǎn)的動(dòng)態(tài)載荷。

分別對(duì)比利時(shí)路(PAVE)、正弦短波路和扭曲路進(jìn)行虛擬路譜載荷仿真，并與試驗(yàn)采集的輪心力對(duì)標(biāo)，如圖14所示。3種路面的輪心垂向力時(shí)域信號(hào)與試驗(yàn)的一致性較好，頻域主要峰值、能力分布一致，RMS比值0.9～1.1。比利時(shí)石塊路輪心力和彈簧位移的偽損傷比值均介于0.5～2.0之間(圖15)，表明輪心力精度與虛擬迭代、載荷分解等傳統(tǒng)載荷工作精度相當(dāng)，能夠滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)分析的要求。圖15中，WFT代表輪心力；Fx，F(xiàn)y和 Fz分別表示縱向、側(cè)向和垂向力；LF，RF，LR和RR分別代表4個(gè)車輪；Dis_Spr表示彈簧位移。

圖12 虛擬路譜軌跡與速度對(duì)標(biāo)

圖13 整車虛擬路譜動(dòng)力學(xué)耐久載荷仿真

根據(jù)上述載荷分析結(jié)果，進(jìn)行零部件損傷的對(duì)比。由于前、后副車架與底盤連接點(diǎn)較多，受力形式相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)輪心力的變化相對(duì)比較敏感，因此考慮使用前、后副車架對(duì)虛擬路譜載荷進(jìn)行零件級(jí)損傷驗(yàn)證，如圖16所示。

與傳統(tǒng)路譜分解方法對(duì)比，虛擬路譜計(jì)算得到輪心力計(jì)算所得前、后副車架零件損傷分布，能夠完全識(shí)別出傳統(tǒng)路譜采集方法所分析的風(fēng)險(xiǎn)位置，并且量級(jí)水平相當(dāng)。

圖14 3種典型路面耐久載荷對(duì)比

圖15 PAVE路載荷偽損傷比值

圖16 虛擬路譜零部件結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比

至此，基于3D數(shù)字路面的整車耐久性能分析流程能夠不依賴于路譜采集而獲得準(zhǔn)確的路譜載荷，并準(zhǔn)確預(yù)估零件風(fēng)險(xiǎn)位置，應(yīng)用該評(píng)價(jià)方法能夠減少、替代開發(fā)階段的路譜采集試驗(yàn)，在開發(fā)早期實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久性能的精確評(píng)估，用于后續(xù)項(xiàng)目的整車零部件結(jié)構(gòu)耐久分析工作中。

3 結(jié)論

本文中基于3D數(shù)字路面掃描和輪胎高頻動(dòng)力學(xué)模型方法，實(shí)現(xiàn)虛擬路譜整車動(dòng)態(tài)耐久載荷輸出，并進(jìn)行了載荷、結(jié)構(gòu)疲勞對(duì)標(biāo)。

(1)針對(duì)激光掃描3D數(shù)字路面，綜合計(jì)算精度和效率確定網(wǎng)格尺寸，通過與實(shí)際測點(diǎn)對(duì)比，確保數(shù)字路面滿足要求。

(2)通過輪胎參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)和輪胎凸塊動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)FTire輪胎響應(yīng)特性進(jìn)行驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，在縱向、垂向具有較高的仿真精度。

(3)采用駕駛跟蹤補(bǔ)償?shù)目刂品椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)整車速度、軌跡控制和整車虛擬路譜動(dòng)態(tài)載荷仿真。與傳統(tǒng)路譜分解方法對(duì)比表明，輪心載荷與試驗(yàn)的一致性較好，并且能夠完全識(shí)別傳統(tǒng)路譜分析的零部件風(fēng)險(xiǎn)位置。

基于3D數(shù)字路面的整車虛擬路譜耐久性能分析流程能夠獲取準(zhǔn)確的路譜載荷和預(yù)估零件風(fēng)險(xiǎn)位置，應(yīng)用該評(píng)價(jià)方法能夠減少并逐漸替代開發(fā)階段路譜采集試驗(yàn)，在項(xiàng)目早期進(jìn)行耐久性能評(píng)估，用于后續(xù)項(xiàng)目的整車零部件結(jié)構(gòu)耐久分析工作中。

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A Study on the Evaluation Method of Vehicle Durability Performance Based on 3D Digital Road

Sun Chengzhi， Duan Xianglei， W eng Yang ＆ Wang Guangyao
SAICMotor Technical Center，Shanghai 201804

In view of that the traditional road spectra acquisition method is limited by prototype vehicle test with long development cycle and can not effectively predict subsequent parameter changes and estimate the parameters of new vehiclemake，a high-frequencymodel for tire and a 3D digital road surfacemodel are established based on the traditional analysis on vehicle dynamic loads，and amethod of virtual road spectra dynamic response analysis and durability performance evaluation of vehicle for the complete transfer path from road， tire， suspension to car body is proposed.By generating dynamic load based on 3D digital road，the durability performance of vehicle structure can be estimated in early phase of project development.The results show that the method adopted can get the data rather close to road spectra data collected by.traditional wheel-center force transducer and effectively identify the risk locations of componentand gradually eliminate road spectra data acquisition in development stage，achieving accurate estimation of structural durability in early stage of development.

tiremodel； 3D digital road； virtual road spectra； load prediction； fatigue durability

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.018

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月29日。

段向雷，博士，中級(jí)工程師，Email：duanxianglei＠saicmotor.com。