基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的坑洼路動(dòng)態(tài)載荷研究

楊建森，李 欣，王新宇

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300)

作為CAE領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)正得到越來(lái)越多汽車(chē)OEM的認(rèn)可，成為其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的技術(shù)，例如VOLVO、吉利和上汽等[1-3]。傳統(tǒng)的疲勞耐久研究技術(shù)路線需要等待物理樣車(chē)的試制，數(shù)十個(gè)傳感器的安裝、調(diào)試以及試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集過(guò)程使其成本高、周期長(zhǎng)，且不能有效應(yīng)對(duì)底盤(pán)調(diào)校的多種配置方案[4]。近年來(lái)，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)日漸成熟，可有效地解決傳統(tǒng)疲勞耐久研究技術(shù)路線中遇到的一系列問(wèn)題。

虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用關(guān)鍵在于三維數(shù)字路面的創(chuàng)建和高精度輪胎模型的開(kāi)發(fā)。車(chē)載慣導(dǎo)激光掃描系統(tǒng)可以精準(zhǔn)、高效地創(chuàng)建三維數(shù)字路面，文件格式主要由CRG和RDF兩種，兼容ADAMS、MOTIONVIEW等多種多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件。輪胎六分力試驗(yàn)臺(tái)和帶凸塊高速輪胎測(cè)試轉(zhuǎn)鼓的廣泛應(yīng)用以及FTire和CDTire輪胎模型的日漸成熟使輪胎的建模精度得到保證[5]。

本文通過(guò)激光掃描創(chuàng)建鹽城試驗(yàn)場(chǎng)T8耐久路CRG格式三維數(shù)字路面，通過(guò)實(shí)測(cè)輪胎力學(xué)特性數(shù)據(jù)辨識(shí)得到FTire模型，通過(guò)有限元模型簡(jiǎn)化建立柔性化車(chē)身模型，利用整車(chē)ADAMS模型對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)中極具代表性的工況(坑洼路)進(jìn)行仿真計(jì)算，最后對(duì)仿真結(jié)果中的輪心六分力、軸頭加速度、減震器位移及其軸向力與實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真的精度。

1 仿真模型

1.1 路面模型

ADAMS軟件可識(shí)別的路面模型格式有多種，常用的是RDF和CRG，其中RDF文件是一種三維等效容積路面[6]。三維等效容積路面由多個(gè)空間三角平面相互連接組成，其主要參數(shù)包括路面節(jié)點(diǎn)編號(hào)及數(shù)量、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、構(gòu)成每個(gè)三角平面的節(jié)點(diǎn)序號(hào)及點(diǎn)集、路面的動(dòng)/靜摩擦因數(shù)等，如圖1所示。

CRG格式通過(guò)指定一條路面的中心線和由離散矩形節(jié)點(diǎn)組成的柵格的高程信息來(lái)定義路面，CRG路面原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。各矩形的節(jié)點(diǎn)在路面橫向方向的間距值可以任意定義，從而能夠靈活地描述各種路面。CRG路面節(jié)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖如圖3所示[7]。

圖1 三維等效容積路面原理

圖2 CRG路面原理簡(jiǎn)圖

圖3 CRG路面節(jié)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖

CRG文件利于激光數(shù)據(jù)的保存，其二進(jìn)制保存數(shù)據(jù)的方式能夠有效降低數(shù)據(jù)量，便于在實(shí)際仿真過(guò)程中隨取隨用，大大提高了仿真效率。本文研究的坑洼路就是對(duì)激光掃描后的點(diǎn)云文件進(jìn)行提取與插值處理后形成的包含路面中心線的CRG格式文件。

本文使用的車(chē)載慣導(dǎo)激光掃描系統(tǒng)由激光傳感器、數(shù)碼相機(jī)、陀螺儀及GPS天線等多部分組成。其中激光傳感器有2個(gè)，左右兩個(gè)激光傳感器共用同一組GPS信號(hào)，使各自掃描的信號(hào)可用相同的坐標(biāo)系疊加在一起，從而提高路面特征的參數(shù)獲取精度，如圖4所示。在路面掃描過(guò)程中，駕駛員以5 km/h的車(chē)速低速行駛，不間斷地獲取車(chē)輛經(jīng)過(guò)的每一段路面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 車(chē)載慣導(dǎo)激光掃描系統(tǒng)

1.2 輪胎模型

常用的耐久性輪胎模型有FTire和CDTire，本文采用與ADAMS軟件兼容性更好的FTire(flexible ring tire model)模型。FTire輪胎模型是由德國(guó)Esslingen大學(xué)的Michael Gipser教授于2000年提出的一種柔性環(huán)輪胎模型，具備完全非線性及高精度輪胎穩(wěn)態(tài)特性[8]，可對(duì)大小為輪胎接地印跡一半的障礙物進(jìn)行仿真，仿真頻率可達(dá)200 Hz，完全滿(mǎn)足坑洼路等耐久工況的仿真要求。

FTire輪胎模型的生成需要較多的參數(shù)，為獲取這些參數(shù)需要進(jìn)行輪胎的剛度試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)力及力矩試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)[9]。詳細(xì)的Ftire輪胎模型試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

Ftire輪胎模型辨識(shí)結(jié)果如圖6～9所示，藍(lán)色表示試驗(yàn)結(jié)果，紅色表示模擬仿真結(jié)果。輪胎動(dòng)態(tài)過(guò)凸塊試驗(yàn)見(jiàn)圖10。

表1 Ftire輪胎模型試驗(yàn)方案

圖6 輪胎接地印跡辨識(shí)結(jié)果

圖7 輪胎靜態(tài)特性辨識(shí)結(jié)果

圖8 輪胎面內(nèi)特性辨識(shí)結(jié)果

圖9 輪胎面外特性辨識(shí)結(jié)果

圖10 輪胎動(dòng)態(tài)過(guò)凸塊試驗(yàn)

1.3 整車(chē)模型集成及驗(yàn)證

為兼顧模型精度和仿真效率，本文采用梁?jiǎn)卧獙?duì)白車(chē)身有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并生成柔性體文件，然后集成底盤(pán)模型生成整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，如圖8所示。整車(chē)建模參數(shù)如表2所示。懸架是汽車(chē)底盤(pán)的主要構(gòu)成部分，懸架模型的精度對(duì)于后期仿真分析的準(zhǔn)確性起著決定性作用，本文通過(guò)懸架K&C試驗(yàn)驗(yàn)證懸架模型的精度，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖12～14。

圖11 整車(chē)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

序號(hào)參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值1外部尺寸/mm4 280×1 785×1 6582軸距/mm25123前/后輪距/mm1 522/1 5304整備質(zhì)量/kg1 2805滿(mǎn)載質(zhì)量/kg1 6556質(zhì)心坐標(biāo)/mm(-10.6,25.8,1 408.8)7Ixx/(kg·mm-2)4.487E+0088Iyy/(kg·mm-2)1.897E+0099Izz/(kg·mm-2)2.022E+009

圖12 懸架垂向剛度對(duì)標(biāo)曲線(不含輪胎)

圖13 懸架縱向剛度對(duì)標(biāo)曲線

圖14 車(chē)身側(cè)傾剛度對(duì)標(biāo)曲線

2 載荷譜采集

汽車(chē)疲勞耐久開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要采集20多種工況的載荷譜，包括不同典型路面及不同車(chē)速。載荷譜采集之前車(chē)輛需要安裝大量傳感器，主要包含車(chē)輪六分力、減震器位移、軸頭及車(chē)身三向加速度傳感器，以及一些底盤(pán)件定制的力與位移傳感器等。圖15為車(chē)輪六分力傳感器安裝。

3 仿真分析

3.1 坑洼路仿真

本文以坑洼路為例進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真[10-11]。整車(chē)模型建立了輪心六分力、輪心三向加速度、減震器位移及其軸向力的信號(hào)輸出通道request，整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真模型(隱藏車(chē)身)如圖16所示。

圖15 車(chē)輪六分力傳感器安裝

圖16 整車(chē)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真模型(隱藏車(chē)身)

3.2 相關(guān)性分析

以左前輪為例，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行仿真與實(shí)車(chē)采集信號(hào)的對(duì)比，如圖17～21所示，其中，實(shí)線為仿真值，虛線為試驗(yàn)值。仿真結(jié)果顯示：無(wú)論車(chē)輪力還是懸架內(nèi)部力，無(wú)論軸頭加速度還是減震器位移，仿真與試驗(yàn)結(jié)果都有很好的相關(guān)性。

圖17 輪心Z向力

圖18 輪心X向力

圖19 軸頭Z向加速度

圖20 軸頭X向加速度

圖21 減震器位移

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以耐久工況中極具代表性的坑洼路為例進(jìn)行虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果顯示：

1) 虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真無(wú)論是力、加速度和位移都有較高的精度；

2) 柔性車(chē)身、FTire輪胎模型和CRG格式路面的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真方案是有效、可靠的。

虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)作為CAE領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，可在汽車(chē)開(kāi)發(fā)早期獲取試驗(yàn)場(chǎng)耐久工況動(dòng)態(tài)載荷，指導(dǎo)零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，縮短后期試驗(yàn)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有積極的參考意義。