基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)的摩托車車架疲勞壽命分析

藺朝莉,楊 平,彭 勇

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院, 重慶 400054; 2.重慶廣播電視大學(xué) 智能制造與汽車學(xué)院, 重慶 401520;3.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司， 重慶 400102)

虛擬試驗(yàn)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)代替實(shí)車的道路試驗(yàn)和試驗(yàn)室臺(tái)架模擬試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零部件疲勞壽命的數(shù)字化仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在摩托車虛擬試驗(yàn)方面，部分學(xué)者做了不同程度的研究。馬扎根等[1]基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)，綜合應(yīng)用試車場(chǎng)道路載荷測(cè)量、剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和道路模擬虛擬迭代等技術(shù)，在轎車開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)白車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命的有效預(yù)估與改進(jìn)設(shè)計(jì)。錢立軍等[2]將道路模擬試驗(yàn)與CAE相結(jié)合，采用道路模擬技術(shù)復(fù)現(xiàn)了實(shí)際路面的道路載荷譜，通過(guò)建立整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?duì)汽車下擺臂進(jìn)行了疲勞壽命分析。杜靜[3]構(gòu)建了摩托車虛擬樣機(jī)環(huán)境，并結(jié)合某個(gè)產(chǎn)品，對(duì)影響摩托車振動(dòng)的主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)慣性激振力、優(yōu)化車架動(dòng)態(tài)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)與車架的柔性聯(lián)結(jié)等措施，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能匹配，有效地降低了摩托車的振動(dòng)。鄒喜紅等[4]利用搭建的多通道道路試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了室內(nèi)車架耐久性試驗(yàn)。綜上可知，國(guó)內(nèi)對(duì)摩托車虛擬樣機(jī)技術(shù)有一定程度的研究，也將虛擬試驗(yàn)技術(shù)和道路模擬試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)汽車零部件進(jìn)行了耐久性分析，但鮮有將道路模擬試驗(yàn)技術(shù)與CAE技術(shù)相結(jié)合對(duì)摩托車疲勞壽命進(jìn)行研究。

本文將路面實(shí)際載荷譜經(jīng)模擬迭代試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為ADAMS模型的輸入信號(hào)并作為摩托車車架虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的激勵(lì)，進(jìn)行摩托車車架壽命的有效分析，可真實(shí)模擬路面對(duì)摩托車的振動(dòng)激勵(lì)，也能減少后續(xù)開(kāi)發(fā)中耐久性試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)周期。

1 多通道道路模擬試驗(yàn)

1.1 搭建道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

多通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)同時(shí)考慮了鉛垂載荷沖擊和水平載荷沖擊對(duì)車架疲勞壽命的影響。試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。分別在水平方向和垂直方向設(shè)置作動(dòng)器來(lái)模擬車架實(shí)際受到的水平載荷和垂直載荷沖擊。后軸4通過(guò)鉸鏈進(jìn)行約束，其自由度為1。當(dāng)水平方向的作動(dòng)器施加載荷時(shí)，可實(shí)現(xiàn)繞Y軸的微小旋轉(zhuǎn)，這能在一定程度上實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的機(jī)械解耦。前支架通過(guò)導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)車架沿x方向的運(yùn)動(dòng)，由于導(dǎo)軌的作用，在水平載荷作用下車架不會(huì)側(cè)向偏轉(zhuǎn)。前后兩處的約束使整個(gè)車架具有沿x方向的水平自由度、沿z方向的自由度和繞后軸的旋轉(zhuǎn)自由度(可以實(shí)現(xiàn)微量的旋轉(zhuǎn))，共3個(gè)自由度。通過(guò)3自由度的確定實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)多通道、多軸向的加載方式，從而使車架的受力分布得到更加準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)，也使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

在試驗(yàn)臺(tái)建立過(guò)程中，對(duì)各零部件之間的連接約束作了如下處理：① 減振器內(nèi)外筒在運(yùn)動(dòng)中始終保持前伸角不變，所以前減振器內(nèi)外筒之間采用一滑移鉸鏈連接；② 后平叉只能繞車架上的安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，故可簡(jiǎn)化為一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，分別連接后叉與車架；③ 發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓剛性連接到車架上，故簡(jiǎn)化為一固定鉸鏈。

1.液壓作動(dòng)器電磁閥; 2.導(dǎo)軌; 3.前支架; 4.后支座; 5，7.傳感器； 6，9.液壓作動(dòng)器; 8.車架及附件

1.2 基于力-位移耦合控制系統(tǒng)的模擬迭代

車架多軸向多激勵(lì)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)，它以水平作動(dòng)器力信號(hào)和垂直作動(dòng)器位移信號(hào)為輸入，兩目標(biāo)迭代測(cè)點(diǎn)為輸出。該系統(tǒng)如圖2所示，其中：a1(t)為水平作動(dòng)器力輸入信號(hào)；a2(t)為垂直作動(dòng)器位移輸入信號(hào)；b1(t)為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1響應(yīng)信號(hào)；b2(t)為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)2響應(yīng)信號(hào)。

圖2 車架多軸道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

室內(nèi)模擬迭代試驗(yàn)前在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了道路載荷譜的采集和分析，得到了用于模擬迭代的期望響應(yīng)信號(hào)。根據(jù)道路模擬疲勞試驗(yàn)方法和前期測(cè)點(diǎn)響應(yīng)分析，選取了車架前部和尾部?jī)蓽y(cè)點(diǎn)作為模擬迭代的目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。迭代前，對(duì)車架測(cè)點(diǎn)S4和S13的原始載荷譜進(jìn)行了(0.5～50)Hz的帶通濾波處理，剔除了對(duì)疲勞損傷影響較小、重復(fù)率較高的低應(yīng)力小信號(hào)分量。對(duì)具有相同特征相同路面的載荷譜進(jìn)行了截取，以免數(shù)據(jù)過(guò)于冗長(zhǎng)，影響迭代的精度。

試驗(yàn)對(duì)實(shí)際路面不同工況下的載荷譜分別進(jìn)行了模擬迭代，具體過(guò)程為：

首先系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)寬帶數(shù)字白噪聲信號(hào)C(f)作為液壓作動(dòng)器的輸入(水平作動(dòng)器為力激勵(lì)，垂直作動(dòng)器為位移激勵(lì))，生成的白噪聲信號(hào)會(huì)對(duì)3個(gè)通道作動(dòng)器依次驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采集3個(gè)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)作為輸出，通過(guò)傅里葉變換得到D(f)。系統(tǒng)根據(jù)輸入C(f)與輸出D(f)求解3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的頻響函數(shù)H(f)。用編輯好的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)和系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣H-1(f)計(jì)算初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)C1(f)，用C1(t)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)傳感器回收響應(yīng)信號(hào)d1(t)，進(jìn)入第1次迭代過(guò)程，通過(guò)比較計(jì)算得到該響應(yīng)信號(hào)與期望信號(hào)之間的誤差函數(shù)，把該函數(shù)乘以某增益值疊加到初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，可以求得第2次驅(qū)動(dòng)的誤差函數(shù)，把這次驅(qū)動(dòng)的誤差函數(shù)又乘以一增益值疊加到上次迭代的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上，得到第3次驅(qū)動(dòng)信號(hào)，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)激振器[5-6]。如此循環(huán)迭代，直到回收的響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)的誤差達(dá)到允許范圍內(nèi)時(shí)為止，以最后一次迭代得到的水平作動(dòng)器和垂直作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為室內(nèi)強(qiáng)化試驗(yàn)的激勵(lì)譜。圖4為綜合路面目標(biāo)測(cè)點(diǎn)期望響應(yīng)信號(hào)與模擬響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ??？梢钥闯鲈囼?yàn)迭代的精度較高，能較好地反映實(shí)際路況的振動(dòng)情況。

圖3 模擬迭代監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4 目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的功率譜密度比較

為了在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上盡可能全面地復(fù)現(xiàn)車架實(shí)際行駛道路載荷譜，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架時(shí)，考慮了車架垂直方向駕乘人員和貨物的載荷，因此模擬迭代試驗(yàn)在車架上采取配質(zhì)量方案。配質(zhì)量方案分別為無(wú)配質(zhì)量、配質(zhì)量30 kg和配質(zhì)量60 kg，進(jìn)行比較試驗(yàn)，其中60 kg的配質(zhì)量方案與實(shí)車試驗(yàn)時(shí)的質(zhì)量分布趨于一致。通過(guò)3種配質(zhì)量試驗(yàn)最后得到的迭代誤差收斂曲線，發(fā)現(xiàn)配質(zhì)量為60 kg時(shí)，迭代收斂速度最快，迭代精度最高，且得到的模擬載荷譜和實(shí)際載荷譜在時(shí)域和頻域的變化趨勢(shì)也基本一致，幅值和相位也很吻合。

本文選取60 kg配質(zhì)量試驗(yàn)獲取的最終激勵(lì)信號(hào)用于后期的疲勞壽命分析，部分激勵(lì)譜如圖5所示。對(duì)其他路況和工況下采集的載荷譜按照同樣的方式(60 kg配質(zhì)量)進(jìn)行模擬迭代，將反求出的激勵(lì)信號(hào)按照摩托車實(shí)際路面使用比例進(jìn)行連接，得到車架在實(shí)際路面的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5 作動(dòng)器道路模擬激勵(lì)譜

2 試驗(yàn)臺(tái)架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕⑴c驗(yàn)證

實(shí)際道路載荷譜采集試驗(yàn)獲取了車架部分測(cè)點(diǎn)的疲勞載荷譜，而不易粘貼應(yīng)變片、不便于測(cè)試的其他部位也可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞。將多通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)“搬進(jìn)”虛擬軟件中，以基于實(shí)測(cè)載荷譜獲取的激勵(lì)信號(hào)為驅(qū)動(dòng)文件不僅可以全面考核整個(gè)車架的應(yīng)力分布和疲勞壽命，還能優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型精度，避免了以往疲勞壽命分析可信度不高的問(wèn)題。

2.1 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

ADAMS/Flex是采用模態(tài)柔性來(lái)表示物體彈性的。其基本思想是賦予柔性體一個(gè)模態(tài)集，采用模態(tài)展開(kāi)法，用模態(tài)向量和模態(tài)坐標(biāo)線性組合來(lái)表示彈性位移，通過(guò)計(jì)算每一時(shí)刻物體的彈性位移來(lái)描述其變形運(yùn)動(dòng)[7-8]。ADAMS/Flex中的柔性體可采用模態(tài)中性文件(MNF)來(lái)描述，一旦創(chuàng)建了模態(tài)中性文件，就可以將它輸入到ADAMS/View或ADAMS/Solver中，建立相應(yīng)零件的柔性體。

模態(tài)分析用于確定所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)也可以作為其他動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)。本文利用Hyperworks有限元分析軟件對(duì)摩托車車架和后平叉做模態(tài)分析的同時(shí)，生成模態(tài)中性文件，并導(dǎo)入MSC.ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)仿真模型。試驗(yàn)臺(tái)的零部件包括車架、前支架、導(dǎo)軌、發(fā)動(dòng)機(jī)、后平叉、配重質(zhì)量塊和作動(dòng)器等，在ADAMS軟件中賦予各零部件和夾具真實(shí)的材料參數(shù)和約束，以盡可能真實(shí)模擬系統(tǒng)的質(zhì)量分布和力學(xué)特性，如圖6所示。

圖6 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)仿真模型

2.2 模型的驗(yàn)證

為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)目杀刃?，在ADAMS虛擬模型中，設(shè)置了與道路模擬迭代試驗(yàn)相同位置測(cè)點(diǎn)的Maker點(diǎn)。仿真結(jié)束后，可以通過(guò)調(diào)用ADAMS中獨(dú)立的后處理模塊DAMS/PostProcessor查看和分析Maker點(diǎn)的加速度仿真結(jié)果曲線。將虛擬試驗(yàn)和迭代試驗(yàn)得到的兩個(gè)相同測(cè)點(diǎn)處的加速度自功率譜曲線分別進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

由圖7可以看出：虛擬試驗(yàn)與道路模擬迭代試驗(yàn)的功率譜圖變化趨勢(shì)基本一致，仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率基本吻合，這主要是因?yàn)樘摂M試驗(yàn)中采用了和迭代試驗(yàn)完全一樣的激勵(lì)信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，其次在調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)虛擬模型的過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，如適當(dāng)?shù)母淖兡承┘s束，改變構(gòu)件的質(zhì)心位置，調(diào)整減震器參數(shù)等。但仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)依然存在差別，主要是因?yàn)槟Ｐ椭械臏p震器參數(shù)不夠準(zhǔn)確，使摩托車的減震效果和實(shí)際有所差別。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的功率譜密度對(duì)比

3 車架疲勞壽命分析

將道路模擬迭代試驗(yàn)獲取的激勵(lì)信號(hào)作為虛擬試驗(yàn)臺(tái)的最終激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)載荷時(shí)間和車速的計(jì)算，把激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行拼接疊加，換算成在虛擬試驗(yàn)中完成整個(gè)試車場(chǎng)試驗(yàn)路段的虛擬疲勞試驗(yàn)。將虛擬計(jì)算得到的柔性體模型的模態(tài)參與因子函數(shù)提取出來(lái)，包括車架和發(fā)動(dòng)機(jī)等連接點(diǎn)的所有約束載荷，將其作為虛擬模型進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估的邊界條件。

摩托車車架的疲勞屬于高周疲勞，因此選取名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命分析。名義應(yīng)力法就是采用材料的S-N曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合疲勞累計(jì)損傷理論，預(yù)估疲勞壽命[9]。該款車架材料主要為Q235A，查詢相關(guān)手冊(cè)[10]，采用偏安全的存活率50%計(jì)算，材料Q235A的S-N曲線表達(dá)式為

LgN50= 41.178 2-14.674 5Lgσ

(1)

式中:N50為存活率 50%時(shí)的破壞循環(huán)次數(shù)；σ為應(yīng)力幅的平均值(MPa)。

將疲勞分析有限元模型、材料S-N曲線、 實(shí)際路面等效激勵(lì)信號(hào)導(dǎo)入MSC.FATIGUE疲勞分析軟件中進(jìn)行計(jì)算，得到車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命云圖，如圖8所示。

圖8 車架疲勞壽命云圖

圖8中，疲勞強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)集中在車架后部與懸掛支架的連接處和前部加強(qiáng)管焊接處，這與臺(tái)架試驗(yàn)60 kg配重條件下車架應(yīng)力分布和應(yīng)力集中是一致的。車架最小壽命對(duì)數(shù)為5.61，這是以10為底的對(duì)數(shù)值，所以實(shí)際壽命值為407 380次循環(huán)，等效成試驗(yàn)場(chǎng)上的行駛里程為26萬(wàn)km左右，安全系數(shù)較高，滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將多體動(dòng)力學(xué)虛擬試驗(yàn)技術(shù)、多通道道路模擬試驗(yàn)技術(shù)和疲勞累計(jì)損傷理論等綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)摩托車開(kāi)發(fā)過(guò)程中車架這一關(guān)鍵核心結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)估。該方法與以往單通道道路模擬試驗(yàn)相比載荷譜更接近實(shí)際振動(dòng)情況，精度更高。虛擬試驗(yàn)與以往實(shí)車耐久性試驗(yàn)相比，可以大大縮短車架耐久性試驗(yàn)周期，從而節(jié)省費(fèi)用，是一套可供同行借鑒的、可信度較高的完整的疲勞壽命分析流程，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。