基于實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)道路載荷譜的車輛疲勞性能設(shè)計(jì)

黃元毅，董國(guó)紅，鐘 明，李 征，王甲畏

基于實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)道路載荷譜的車輛疲勞性能設(shè)計(jì)

黃元毅1，董國(guó)紅1，鐘 明1，李 征2，王甲畏2

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007； 2.澳汰爾工程軟件(上海)有限公司，上海 200436)

提出了一套完整的基于實(shí)測(cè)路譜的整車疲勞耐久性能開(kāi)發(fā)流程。該流程中的多體模型動(dòng)態(tài)載荷分解部分，是把采集到的輪心6個(gè)方向的力和力矩直接加載到多體模型輪心處，用所建的多體模型，仿真得到各零部件及系統(tǒng)連接點(diǎn)處的力。結(jié)果表明，利用多體模型分解獲取的零部件動(dòng)態(tài)載荷和有限元法分析得到的應(yīng)力、壽命與試驗(yàn)結(jié)果很好吻合，證明了所建多體模型精度高，載荷傳遞路徑可信，所提出的疲勞性能開(kāi)發(fā)流程適用于企業(yè)其他車型的開(kāi)發(fā)。

輪心六分力；多體動(dòng)力學(xué)模型；零部件載荷分解；疲勞分析

前言

車輛系統(tǒng)/零部件的強(qiáng)度疲勞性能設(shè)計(jì)是每個(gè)汽車企業(yè)都必須優(yōu)先考慮的內(nèi)容，傳統(tǒng)疲勞性能開(kāi)發(fā)是通過(guò)幾輪樣車的實(shí)際道路測(cè)試進(jìn)行最終驗(yàn)證，這不僅使車輛開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，且需要大量的人力、物力和財(cái)力投入。使用多體虛擬仿真的手段，準(zhǔn)確獲取各零部件上的動(dòng)態(tài)載荷，則可在車輛開(kāi)發(fā)階段預(yù)測(cè)其疲勞性能，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足耐久路試要求。這樣就能最大限度地縮短車輛開(kāi)發(fā)周期，降低車輛開(kāi)發(fā)成本[1-3]。

而就車輛疲勞性能開(kāi)發(fā)而言，它是個(gè)包含試驗(yàn)測(cè)試、多體動(dòng)力學(xué)和有限元疲勞分析等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的集合體，在執(zhí)行該工作的過(guò)程中會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)，比如如何執(zhí)行道路載荷采集試驗(yàn)并正確處理大量數(shù)據(jù)，如何建立高精度的動(dòng)力學(xué)多體模型進(jìn)行載荷分解和如何對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模分析等。

基于五菱汽車和澳汰爾公司對(duì)車輛性能開(kāi)發(fā)的理解和常年積累的工程經(jīng)驗(yàn)，充分考慮疲勞性能開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，建立了包含試驗(yàn)規(guī)劃、傳感器設(shè)計(jì)/制作/安裝、路譜采集試驗(yàn)/數(shù)據(jù)處理、整車/系統(tǒng)/零部件性能測(cè)試、多體動(dòng)力學(xué)建模對(duì)標(biāo)與載荷分解、零部件/系統(tǒng)有限元和疲勞性能分析的開(kāi)發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 耐久性能開(kāi)發(fā)流程

1 道路動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試

1.1 試驗(yàn)方案確定

道路載荷譜測(cè)試主要是為獲取輪心處的動(dòng)態(tài)載荷，但考慮到后續(xù)多體模型和有限元模型精度標(biāo)定，還要同時(shí)測(cè)量多種檢測(cè)信號(hào)，如位移、加速度、力、溫度、控制信號(hào)和應(yīng)變等。本文中的測(cè)試通道數(shù)接近100個(gè)(充分對(duì)標(biāo)用)，所用傳感器包括：輪心六分力儀、拉線位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片、溫度傳感器和控制信號(hào)傳感器等。

1.2 傳感器制作與安裝

本文中使用六軸力傳感器單元直接測(cè)量支柱上端連接車身處(top mount)的載荷，如圖2所示，而其他位置處的動(dòng)態(tài)載荷，如圖3所示的擺臂球頭處、減振器活塞桿和橫向穩(wěn)定桿拉桿處，均采用組合應(yīng)變片的方式獲取。實(shí)際制作過(guò)程中，首先在上述位置粘貼應(yīng)變片，然后在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上精確標(biāo)定出應(yīng)變對(duì)應(yīng)的力，這樣即可在整車路試過(guò)程中直接讀出該位置處的動(dòng)態(tài)載荷。

圖2 top mount處的力傳感器

圖3 擺臂球頭處力傳感器的制作與標(biāo)定

在傳感器安裝過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試要求和車輛零部件的具體形狀尺寸選擇合適位置，或者設(shè)計(jì)一些輔助支架，方便傳感器的安放。應(yīng)變片通常安裝在容易開(kāi)裂失效的部位，這些位置處的應(yīng)力比較集中、應(yīng)變也較大，在這些位置處貼片的另一個(gè)好處就是可提高信號(hào)的信噪比，以采集到較為準(zhǔn)確的應(yīng)變信號(hào)，圖4示出擺臂應(yīng)變片的安裝。

圖4 應(yīng)變片的安裝

1.3 道路載荷采集與數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行道路載荷采集試驗(yàn)前，應(yīng)檢查車輛狀態(tài)和配重情況是否正確，且初步運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的整車工況，檢查各傳感器安裝和信號(hào)傳輸是否正常。然后根據(jù)企業(yè)耐久測(cè)試規(guī)范在各種路面上進(jìn)行載荷采集，采集數(shù)據(jù)通常要有3個(gè)完整耐久循環(huán)以上。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)比各循環(huán)樣本數(shù)據(jù)，確定哪些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)模型分析的輸入，圖5對(duì)比了采集到的4圈樣本數(shù)據(jù)。

圖5 top mount垂向載荷4圈數(shù)據(jù)對(duì)比

2 多體動(dòng)力學(xué)建模與初步對(duì)標(biāo)

2.1 車輛及零部件參數(shù)的獲取

車輛為前置前驅(qū)MPV車型，前懸架為麥弗遜式，后懸架為鋼板彈簧式。要建立準(zhǔn)確的車輛動(dòng)力學(xué)模型需要測(cè)量大量的車輛信息，而且是在不同的開(kāi)發(fā)階段分別進(jìn)行測(cè)量。如在整車載荷測(cè)試之前進(jìn)行硬點(diǎn)、K＆C測(cè)試，在整車試驗(yàn)之后進(jìn)行襯套、彈簧、減振器與各零部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試。圖6為項(xiàng)目中對(duì)整車硬點(diǎn)數(shù)據(jù)的掃描測(cè)試結(jié)果。

圖6 整車硬點(diǎn)測(cè)量

所有測(cè)試皆須按正確的試驗(yàn)規(guī)范和要求進(jìn)行。如圖7所示的襯套靜剛度測(cè)試中，規(guī)定了加載方式、加載范圍和各方向的預(yù)載；在動(dòng)剛度測(cè)試中，規(guī)定了測(cè)試的預(yù)載、加載頻率和幅值。

圖7 彈性件性能測(cè)試

2.2 板簧系統(tǒng)建模與剛度對(duì)標(biāo)

為準(zhǔn)確捕捉板簧實(shí)際形狀和厚度信息，本文中對(duì)板簧系統(tǒng)進(jìn)行三坐標(biāo)掃描，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并建立板簧系統(tǒng)多體模型。

HyperWorks中的多體模塊MotionView提供了基本的板簧建立模板，用戶可方便創(chuàng)建常見(jiàn)的少片簧和多片簧系統(tǒng)。創(chuàng)建的板簧模型主要由BEAM梁?jiǎn)卧M成，且包含端部與片間接觸力、彈簧夾作用和板簧系統(tǒng)裝配產(chǎn)生的初始載荷。基本建模流程如圖8所示。在MotionView基礎(chǔ)上進(jìn)行二次定制化開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)該流程的自動(dòng)化建模，用戶只需提供板簧的CAD模型即可建立參數(shù)化的多體模型。

圖8 MotionView中板簧系統(tǒng)建模流程

各片板簧的厚度對(duì)系統(tǒng)剛度影響很大，而下面兩片板簧的姿態(tài)角度對(duì)剛度曲線拐點(diǎn)和第二段剛度影響較大。在反復(fù)確認(rèn)上述參數(shù)后，所建的板簧系統(tǒng)模型，其仿真與試驗(yàn)的剛度曲線如圖9所示，圖中兩條雙點(diǎn)劃線分別對(duì)應(yīng)板簧的加載和卸載過(guò)程。

圖9 板簧系統(tǒng)剛度對(duì)標(biāo)

2.3 懸架系統(tǒng)多體建模與對(duì)標(biāo)

圖10 前懸架系統(tǒng)建模

前懸架系統(tǒng)為麥弗遜式，如圖10所示，考慮該模型后續(xù)要進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況仿真，為充分考慮底盤(pán)零部件的微小變形對(duì)載荷的影響，文中對(duì)擺臂、副車架和減振器活塞桿進(jìn)行了柔性化建模處理，而且在模型中也考慮了輪轂和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。并對(duì)前懸架系統(tǒng)K＆C性能進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

后懸架系統(tǒng)為板簧式非獨(dú)立懸架，如圖11所示。該模型中后橋殼為柔性體，同樣在輪心處也考慮了輪轂的柔度，并對(duì)后懸架系統(tǒng)K＆C性能進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

圖11 后懸架系統(tǒng)建模

2.4 整車多體系統(tǒng)建模與基本工況對(duì)標(biāo)

在前、后懸架系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，更新減振器性能并搭建車身子系統(tǒng)，以建立整車多體模型。所建的整車模型如圖12所示，建模中注意檢查轉(zhuǎn)動(dòng)慣量信息和配重狀態(tài)。

圖12 整車多體模型

這里所謂的基本工況指簡(jiǎn)單的加減速、定圓和過(guò)凸塊等工況。在動(dòng)態(tài)工況對(duì)標(biāo)前進(jìn)行簡(jiǎn)單工況的初步驗(yàn)證，以檢查模型中傳感器的位置是否正確，和測(cè)試數(shù)據(jù)與整車狀態(tài)是否合理。

3 動(dòng)態(tài)載荷工況模型對(duì)標(biāo)與載荷分解

3.1 動(dòng)態(tài)載荷工況多體模型的建立

把采集到的輪心六分力載荷直接加載到模型的輪心處，作為驅(qū)動(dòng)的外界激勵(lì)輸入。圖13為建立的整車模型，圖中雖顯示了輪胎幾何形狀，但模型仿真時(shí)，輪胎并不參與數(shù)值運(yùn)算。由于該模型要運(yùn)行動(dòng)態(tài)工況，所以建模過(guò)程中要考慮到所有引入的外部質(zhì)量，如六分力儀和一些大的傳感器。

另外，直接在模型中加載6個(gè)方向載荷時(shí)，需要對(duì)車身做適當(dāng)?shù)募s束處理，對(duì)于高頻小振幅路面激勵(lì)工況，通?？芍苯蛹s束車身，對(duì)低頻大振幅路面激勵(lì)工況，則可適當(dāng)釋放車身某些自由度。

圖13 動(dòng)態(tài)載荷工況分析模型

3.2 動(dòng)態(tài)載荷工況模型對(duì)標(biāo)

運(yùn)行每次動(dòng)態(tài)載荷工況后，須對(duì)所有試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)與模型中建立的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比(該階段中不對(duì)比應(yīng)變信號(hào))，以驗(yàn)證模型精度。

無(wú)論試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)還是各輸出的模型仿真結(jié)果都類似動(dòng)態(tài)隨機(jī)信號(hào)。對(duì)比這樣兩組信號(hào)的吻合程度，通常采用的方法有：直接對(duì)比其時(shí)域頻域曲線，計(jì)算量化的均方根值誤差，或使用疲勞分析中的概念對(duì)比兩組數(shù)據(jù)的穿級(jí)級(jí)數(shù)和雨流計(jì)數(shù)曲線，并定量計(jì)算對(duì)比其偽損傷值，如圖14所示。

圖14 偽損傷計(jì)算用S-N曲線

對(duì)于動(dòng)態(tài)工況仿真，零部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)結(jié)果影響較大，另外由于實(shí)際車輛的非線性特征，在模型中也要反映到各彈性件的非線性剛度和阻尼系數(shù)上，甚至柔性體的結(jié)構(gòu)阻尼，也會(huì)影響仿真結(jié)果中某一頻率上的峰值。

表1為部分路面top mount處垂向力試驗(yàn)與仿真?zhèn)螕p傷比值。由表可見(jiàn)，比值均在1左右，說(shuō)明多體仿真結(jié)果精度較高。在項(xiàng)目執(zhí)行中，動(dòng)態(tài)載荷工況模型對(duì)標(biāo)時(shí)要求對(duì)所有路面所有通道(除應(yīng)變通道外)都以此方法進(jìn)行試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)。

3.3 系統(tǒng)/零部件連接點(diǎn)動(dòng)態(tài)載荷提取

模型中在關(guān)心的系統(tǒng)/零部件連接點(diǎn)處建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出通道，輸出該點(diǎn)處的Fx/Fy/Fz/Mx/My/Mz載荷，使用對(duì)標(biāo)后的多體模型運(yùn)行所有路面工況，然后在HyperGraph中讀取各方向載荷曲線，使用Export功能導(dǎo)出所有曲線數(shù)據(jù)的RPC格式文件。圖15為下擺臂球頭處6個(gè)方向的動(dòng)態(tài)載荷。

表1 部分路面top mount垂向力試驗(yàn)與仿真?zhèn)螕p傷比值

圖15 下擺臂球頭處動(dòng)態(tài)載荷

4 疲勞性能分析

4.1 材料性能測(cè)試

為進(jìn)行疲勞性能分析，對(duì)零部件材料進(jìn)行了性能測(cè)試，獲取了對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能，圖16為某一標(biāo)稱屈服強(qiáng)度為370MPa材料的疲勞性能測(cè)試結(jié)果。

圖16 材料疲勞性能

4.2 動(dòng)態(tài)載荷工況應(yīng)變對(duì)標(biāo)與疲勞分析

采用單位力法進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)載荷的應(yīng)變分析與疲勞性能計(jì)算。

為保證疲勞壽命的計(jì)算精度，首先進(jìn)行關(guān)鍵系統(tǒng)/零部件在動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)變有限元分析與試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的對(duì)標(biāo)。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模過(guò)程中要注意各零部件間的連接關(guān)系，如焊點(diǎn)、焊縫等，以及連接點(diǎn)處可能的螺栓預(yù)載和預(yù)應(yīng)力。另外要注意模型中的虛擬應(yīng)變片位置和方向要與實(shí)物吻合，在結(jié)構(gòu)上潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和應(yīng)變片安裝位置區(qū)域的網(wǎng)格要細(xì)化。

需要指出的是，本文中計(jì)算耐久性能使用的單位力法是考慮了部件所受到的外部動(dòng)態(tài)載荷累積得到的損傷結(jié)果，雖然該部分損傷值對(duì)于車輛系統(tǒng)和部件來(lái)講是最主要的損傷貢獻(xiàn)，但為獲得更高的疲勞壽命計(jì)算精度，應(yīng)該考慮計(jì)入部件模態(tài)相關(guān)的振動(dòng)損傷結(jié)果[4]。

圖17示出在雙前輪駛過(guò)凸塊和右前輪駛過(guò)方坑的激勵(lì)下前副車架橫梁上仿真與試驗(yàn)應(yīng)變功率譜密度的對(duì)比。可以看出，在頻域上模型應(yīng)變仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合。

圖17 不同路面條件下仿真與試驗(yàn)應(yīng)變值PSD比對(duì)

圖18 則是前副車架橫梁的疲勞損傷分析與實(shí)際斷裂位置。可以看出，疲勞分析結(jié)果與實(shí)際開(kāi)裂位置一致。

圖18 疲勞分析與實(shí)際斷裂位置比對(duì)

5 結(jié)論

(1)從系統(tǒng)/零部件的疲勞分析結(jié)果來(lái)看，該多體模型分解出的動(dòng)態(tài)載荷是準(zhǔn)確的，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)有限元模型的建模方法是正確的，也說(shuō)明了項(xiàng)目所采用的技術(shù)路線和創(chuàng)建的流程體系是有效的。

(2)本文中是在多體模型輪心處直接加載試驗(yàn)采集到的輪心六分力，進(jìn)而分解提取系統(tǒng)/零部件連接點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)載荷。該方法本質(zhì)上是通過(guò)逐步完善多體模型參數(shù)，提高其準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工況仿真精度，來(lái)獲取準(zhǔn)確的力傳遞路徑。使用逐層對(duì)標(biāo)后的多體動(dòng)力學(xué)模型，可更有信心認(rèn)為分解提取出的連接點(diǎn)各方向載荷是準(zhǔn)確的。

(3)使用上述經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)載荷對(duì)標(biāo)后的多體動(dòng)力學(xué)模型，可以勝任后續(xù)其他用途的K＆C分析、整車操縱穩(wěn)定性分析和平順性分析等工作。

(4)本文中建立了一整套車輛從路譜采集到系統(tǒng)/零部件疲勞分析的開(kāi)發(fā)流程，整理了所有相關(guān)的試驗(yàn)/建模/分析規(guī)范，也積累了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，如車型輪心及各零部件動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)庫(kù)、多體建模參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、零部件材料數(shù)據(jù)庫(kù)等，為企業(yè)后續(xù)車輛疲勞性能開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

(5)企業(yè)可在此流程的基礎(chǔ)上開(kāi)展基于真實(shí)動(dòng)態(tài)載荷的零部件輕量化設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步完善優(yōu)化企業(yè)車輛開(kāi)發(fā)流程，提高設(shè)計(jì)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。

[1] ENSOR D，COOK C，BIRTLESM.Optimizing simulation and test techniques for efficient vehicle durability design and development[C].SAE Paper 2005-26-042.

[2] XU P，WONG D，LEBLANC P，et al.Road test simulation technology in light vehicle development and durability evaluation[C].SAE Paper 2005-01-0854.

[3] 高云凱，李翠，崔玲，等.燃料電池大客車車身疲勞壽命仿真分析[J].汽車工程，2010，32(1)：7-12.

[4] TSAI M，HONG H，GEISLER R，et al.Dynamic vehicle durability simulation and applications using modal stress methodology[C].SAE Paper 2011-01-0786.

Vehicle Fatigue Performance Design Based on Dynamic Road Load Spectra Measured

Huang Yuanyi1， Dong Guohong1， Zhong Ming1， Li Zheng2＆ Wang Jiawei2

1.SAIC-GM-WuLing Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545007； 2.Altair Engineering(Shanghai)， Inc， Shanghai 200436

A complete set of vehicle fatigue durability development procedure is proposed based on the road load spectra measured.In the part of dynamic load cascading of multi-body model in the procedure，the measured forces and moments in six directions acting on wheel center are directly applied on the wheel center in multi-body model，and a simulation is conducted with the multi-body model built to get the forces on connecting points of components and system.The results show that the component dynamic loads cascaded from the model and the stress and fatigue life obtained by finite element analysis well agree with test results，demonstrating the high accuracy of multibody model built，the credibility of load transmission path and the suitability of proposed development procedure to the development of other vehicle makes in the enterprise.

six force components on wheel center； multi-body dynamics model； component load cascading；fatigue analysis

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.009

原稿收到日期為2016年12月13日，修改稿收到日期為2016年12月22日。

李征，工程師，E-mail：lizhengs＿2005＠ 163.com。