基于混合路面加載的車(chē)身疲勞載荷預(yù)測(cè)

宋自力，張 雷，蘆 偉

（安徽江淮汽車(chē)股份集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，合肥 230601）

車(chē)身是乘用車(chē)重要的承載結(jié)構(gòu)件，在汽車(chē)行駛過(guò)程中受到路面不平的影響，產(chǎn)生交變應(yīng)力，引起疲勞損傷。車(chē)身耐久性如果達(dá)不到使用要求，損傷在服役期間累積到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致部件疲勞失效。在新車(chē)研發(fā)階段，引入CAE虛擬分析是提升車(chē)身耐久性能的重要手段。車(chē)身疲勞壽命CAE預(yù)測(cè)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，涉及道路載荷譜采集（Road Load Data Acguisition，RLDA），多體虛擬仿真（Multibodies

1　方法和過(guò)程

Simuation，MBS），載荷虛擬預(yù)測(cè)（LVPT）以及壽命預(yù)測(cè)（Fatigue Life Prediction，F(xiàn)LP），其關(guān)鍵核心是準(zhǔn)確獲取車(chē)身工作載荷譜[1]。目前獲取方式主要有兩種：全分析法和半分析法。全分析法主要指虛擬試驗(yàn)場(chǎng)法（Virtual Proving Ground，VPG），在數(shù)字試驗(yàn)場(chǎng)路面上，通過(guò)運(yùn)行整車(chē)多體模型獲得車(chē)身載荷。這種方法不依托物理樣車(chē)和信號(hào)采集試驗(yàn)，完全通過(guò)仿真分析預(yù)測(cè)載荷，因此可以在設(shè)計(jì)更前期進(jìn)行方案的耐久性能預(yù)測(cè)和評(píng)估，是未來(lái)耐久技術(shù)發(fā)展的方向，但目前其預(yù)測(cè)精度較低。半分析法是指采用信號(hào)采集與多體仿真分析相結(jié)合的手段獲取車(chē)身載荷，通過(guò)車(chē)輪力傳感器（Wheel Force Transducer，WFT）采集輪心道路載荷譜，加載到多體模型分解得到車(chē)身載荷。半分析方法對(duì)多體模型要求較低，且載荷精度高，是目前車(chē)身載荷預(yù)測(cè)的主流方法。

通常情況下，半分析加載法是將輪心載荷直接加載到約束車(chē)身的多體模型中，不考慮簧上運(yùn)動(dòng)慣性。這種做法雖然底盤(pán)件的載荷結(jié)果較好，但車(chē)身載荷與實(shí)際有偏差[2]。車(chē)身無(wú)約束能考慮簧上質(zhì)量運(yùn)動(dòng)慣性的影響，但仿真不穩(wěn)定[3]。為解決這一難題，ZHANG Linbo等[4]提出了引入小剛度襯套，B?CKER等[5]提出混合路面加載?；旌下访婕虞d被認(rèn)為是目前最佳的車(chē)身載荷預(yù)測(cè)方法，但關(guān)于其中詳細(xì)實(shí)施效果的研究還較少。本文以某商務(wù)車(chē)為研究對(duì)象，介紹了基于混合路面加載車(chē)身載荷預(yù)測(cè)的詳細(xì)過(guò)程，并對(duì)原車(chē)型載荷拓展應(yīng)用到改動(dòng)車(chē)型進(jìn)行了研究和討論。

1.1　數(shù)據(jù)采集

道路載荷譜采集就是將車(chē)輛輪心所受的隨機(jī)載荷轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)，讓開(kāi)發(fā)工作者了解車(chē)輛工作的外界動(dòng)態(tài)載荷，提供耐久性能開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。采集試驗(yàn)在某汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，在Mule車(chē)上布置傳感器，按照規(guī)定速度通過(guò)耐久路。耐久路循環(huán)包含許多路況，有比利時(shí)路、減速坎、坑洞、扭曲路、卵石路等。不同路況具有特殊的載荷特征，為便于將載荷和路況特征結(jié)合起來(lái)研究，每段路況載荷進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分。

本研究采集信號(hào)包括，24個(gè)WFT通道、1個(gè)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角通道、4個(gè)懸架位移通道、4個(gè)軸頭z向加速度通道、4個(gè)車(chē)身z向加速度通道。WFT安裝如圖1a所示，車(chē)身加速度安裝如圖1b所示。同時(shí)為確定和關(guān)聯(lián)多體仿真載荷結(jié)果，另外采集了減振器阻尼力信號(hào)（圖1c）、球鉸縱向和側(cè)向力信號(hào)（圖1d）以及轉(zhuǎn)向橫拉桿信號(hào)。

圖1　信號(hào)采集傳感器安裝

1.2　多體模型

建立整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示，其包含的子系統(tǒng)有前懸架、前穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向、車(chē)身、后懸架等，由于激勵(lì)位于輪心，所以不包含輪胎子系統(tǒng)。車(chē)身載荷預(yù)測(cè)精度與模型準(zhǔn)確性強(qiáng)相關(guān)，必須測(cè)試建模所需參數(shù)，例如襯套剛度、彈簧剛度、減振器速度-阻尼力曲線、限位塊剛度曲線等，參數(shù)見(jiàn)表1。由于在耐久路面環(huán)境下，部分彈性元件處于大變形和高非線性狀態(tài)，因此，測(cè)試又有嚴(yán)格要求。例如，襯套剛度測(cè)試應(yīng)達(dá)到非線性范圍，減振器特性曲線的速度范圍應(yīng)達(dá)到3 m/s。圖3a是減振器阻尼力F-速度v原結(jié)果，不滿足使用要求。本次對(duì)減振器阻尼力及其位移進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算得到F-v曲線如圖3b所示，滿足使用要求?？紤]彈性變形的擺臂等部件用柔性體，剛性部件的質(zhì)量慣量信息從有限元模型測(cè)量。建模完成之后，通過(guò)K&C仿真和試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

表1　多體模型關(guān)鍵參數(shù)

圖2　整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

圖3　減振器阻尼力-速度F-v曲線

1.3　迭代反求

所謂混合路面[5]加載是指將輪心加載的垂向力替換為垂向位移，與其余五分量載荷結(jié)合，由力、力矩和位移混合加載多體模型。由于實(shí)際的輪心垂向位移很難測(cè)量，所以需要通過(guò)反求的方式獲取。圖4是輪心位移反求過(guò)程，u為四個(gè)輪心位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)，期望信號(hào)ydesired為四個(gè)軸頭加速度和四個(gè)懸架位移，共包含系統(tǒng)識(shí)別和迭代再現(xiàn)目標(biāo)兩個(gè)過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別獲得傳遞函數(shù)，再由傳遞函數(shù)和期望信號(hào)反推出驅(qū)動(dòng)位移。但由于系統(tǒng)的非線性特性，響應(yīng)和期望信號(hào)不可能一次達(dá)到一致，需要通過(guò)迭代減小誤差，最終獲得準(zhǔn)確的輪心驅(qū)動(dòng)位移[6]。以坑洞路為例，最后一步迭代期望信號(hào)的仿真與實(shí)測(cè)之間，相對(duì)損傷達(dá)到0.5～2.0，如圖5所示，滿足要求，結(jié)束迭代。此外，圖5顯示模型監(jiān)測(cè)的多數(shù)信號(hào)相對(duì)損傷也位于0.5～2.0，說(shuō)明模型精度較高。圖6～7是最終期望信號(hào)的仿真與實(shí)測(cè)時(shí)域?qū)Ρ?，懸架位移和輪心加速度的迭代結(jié)果均與實(shí)測(cè)非常吻合，說(shuō)明輪心驅(qū)動(dòng)位移真實(shí)準(zhǔn)確。圖8～9是監(jiān)控信號(hào)仿真與實(shí)測(cè)的時(shí)域?qū)Ρ?，輪心垂向力、?chē)身加速度仿真與實(shí)測(cè)相位一致，幅值也很接近，說(shuō)明模型精度高，據(jù)此分解得到的車(chē)身載荷準(zhǔn)確可靠。圖10是反求獲得的輪心垂向位移，由于與路面幾何關(guān)聯(lián)很大，所以又被稱為等效路形[7]。

圖4　反求過(guò)程

圖5　最后迭代相對(duì)損傷結(jié)果

圖6　右前懸架位移信號(hào)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖7　右前輪心加速度信號(hào)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖8　右前輪心垂向力仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖9　右前塔包加速度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖10　迭代反求獲取的等效路形

2　分析結(jié)果

由等效路形和其余五分量載荷共同激勵(lì)多體模型，分解就可得到車(chē)身載荷譜。輸出的載荷準(zhǔn)確與否，可以通過(guò)部分載荷的仿真預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)比較來(lái)判別?？佣绰访嫦?，圖11是左前下擺臂縱向力仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，圖12是右后減振器力仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，可見(jiàn)載荷預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)能較好吻合，這表明基于混合路面加載預(yù)測(cè)的載荷精確可信。圖13是提取載荷加載到車(chē)身上獲取的一點(diǎn)位置分析應(yīng)變，與實(shí)測(cè)的比較結(jié)果，相對(duì)損傷為1.3，接近標(biāo)準(zhǔn)值1。由圖13可知，兩信號(hào)基本吻合，進(jìn)一步說(shuō)明了載荷精確。車(chē)身約束加載是以往載荷預(yù)測(cè)的慣用方法，圖14是車(chē)身約束和混合路面兩種加載方式下，不同位置的車(chē)身載荷偽損傷比值。由圖可知，多數(shù)載荷通道的相對(duì)損傷大于1，說(shuō)明車(chē)身約束加載預(yù)測(cè)的載荷結(jié)果相對(duì)較大，這與車(chē)身約束無(wú)法自由浮動(dòng)有關(guān)。

圖11　左前下擺臂球鉸縱向力仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖12　右后減振器力仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖13　車(chē)身左前塔包位置的分析和實(shí)測(cè)應(yīng)變對(duì)比

圖14　兩種不同加載方法預(yù)測(cè)的車(chē)身載荷相對(duì)損傷

3　討論

新車(chē)研發(fā)結(jié)束之后，車(chē)企一般會(huì)相應(yīng)開(kāi)發(fā)出不同變動(dòng)型，如三廂變兩廂、車(chē)身空間變大、底盤(pán)抬高換大輪胎等。這些改型導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化較大，需重新進(jìn)行車(chē)身方案的壽命評(píng)估。道路載荷譜采集是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，需要一定時(shí)間和費(fèi)用，而且在開(kāi)發(fā)初期難以提供狀態(tài)相符的采集車(chē)輛。如果按照正常流程進(jìn)行改款車(chē)的壽命評(píng)估很不經(jīng)濟(jì)，且周期較長(zhǎng)。如何在不重新采集載荷的條件下，將原車(chē)型載荷應(yīng)用到新車(chē)型，快速經(jīng)濟(jì)地完成方案壽命評(píng)估呢？

一般來(lái)說(shuō)，影響車(chē)身結(jié)構(gòu)耐久壽命的主要是路面z向不平度，位移激勵(lì)經(jīng)輪胎傳遞至輪心，輪心產(chǎn)生z向力Fz和z向位移[3]（等效路形）。以下用簡(jiǎn)化的1/4車(chē)輛模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究原車(chē)型載荷轉(zhuǎn)移到新車(chē)型應(yīng)用的前提條件。圖15是分析模型，其中ms為簧上質(zhì)量，mu為簧下質(zhì)量，ks為懸架剛度，cs為懸架阻尼，kt為輪胎剛度，ct為輪胎阻尼，Zb為車(chē)身位移，Zu為輪心位移，U為路面不平度。車(chē)型改動(dòng)致使載荷發(fā)生變化，一般都是由于車(chē)型改動(dòng)影響了以上參數(shù)，因此在同一種隨機(jī)路面下激勵(lì)模型，通過(guò)改變模型參數(shù)來(lái)研究對(duì)結(jié)果的影響。

圖15　1/4車(chē)輛模型圖

圖16　簧上質(zhì)量對(duì)Fz的影響

圖16是三種簧載質(zhì)量下的Fz的PSD譜，簧載質(zhì)量越大，F(xiàn)zPSD峰值越大，這說(shuō)明車(chē)型的簧載質(zhì)量越大，F(xiàn)z幅值越大。同樣分析得知，F(xiàn)z幅值與懸架剛度、簧下質(zhì)量以及輪胎剛度也均有關(guān)系，說(shuō)明車(chē)型參數(shù)變化將導(dǎo)致Fz變化。圖17是不同簧載質(zhì)量下的ZuPSD譜，可知簧載質(zhì)量對(duì)Zu無(wú)影響。這說(shuō)明新車(chē)型簧上質(zhì)量變化雖然會(huì)導(dǎo)致Fz改變，但Zu和原車(chē)型一致，具有不變量性質(zhì)，因此原車(chē)型的Zu可以應(yīng)用于新車(chē)型的車(chē)身載荷預(yù)測(cè)。圖18是不同懸架剛度下的ZuPSD譜，可見(jiàn)懸架剛度變化對(duì)Zu也無(wú)影響。圖19是簧下質(zhì)量對(duì)Zu的影響，圖20是輪胎剛度對(duì)Zu的影響，可見(jiàn)簧下質(zhì)量和輪胎剛度的改變，將導(dǎo)致Zu變化，也就是說(shuō)原車(chē)型的Zu無(wú)法延用。因此，改動(dòng)新車(chē)型只要不涉及對(duì)原車(chē)型簧下質(zhì)量和輪胎的改變，就可以在不重新采集道路載荷譜的條件下，使用原Zu加載到新車(chē)型進(jìn)行車(chē)身載荷預(yù)測(cè)（因?yàn)閮烧叩腪u是一致的），至于其余五分量載荷可以根據(jù)軸荷比適當(dāng)縮放來(lái)加載。

圖17　簧上質(zhì)量對(duì)Zu的影響

圖18　懸架剛度對(duì)Zu的影響

圖19　簧下質(zhì)量對(duì)Zu的影響

圖20　輪胎剛度對(duì)Zu的影響

4　結(jié)論

（1）基于混合路面加載能準(zhǔn)確進(jìn)行車(chē)身載荷預(yù)測(cè)。整個(gè)過(guò)程包含：數(shù)據(jù)采集、多體仿真、等效路形反求和載荷關(guān)聯(lián)確認(rèn)四個(gè)部分。使用輪心位移替代垂向力驅(qū)動(dòng)整車(chē)多體模型，解決無(wú)約束車(chē)身動(dòng)力學(xué)仿真不穩(wěn)定問(wèn)題。載荷預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比確認(rèn)，基于混合路面加載的車(chē)身載荷預(yù)測(cè)結(jié)果精確可信。

（2）等效路形在一定條件下具有不變量性質(zhì)，改款車(chē)型具有和原車(chē)型相似的簧下質(zhì)量和輪胎，兩者等效路形是一致的。在不重新采集道路載荷譜的條件下，原車(chē)型的等效路形以及輪心五分量載荷可以沿用到改款車(chē)型用于載荷預(yù)測(cè)。

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