基于虛擬載荷的懸架臺架耐久試驗(yàn)方法

范 璐，陳偉波，劉立剛

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

前言

結(jié)構(gòu)耐久性能是車輛最重要的性能之一，也是整車開發(fā)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。為了快速考核懸架的結(jié)構(gòu)耐久性能，開發(fā)出了臺架道路模擬試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)設(shè)備以MTS329多軸道路模擬試驗(yàn)機(jī)為代表。過去幾十年行業(yè)內(nèi)普遍將試車場道路數(shù)據(jù)采集的載荷作為臺架試驗(yàn)的載荷源，然而這種方法由于引入了試車場道路數(shù)據(jù)采集，所以臺架道路模擬試驗(yàn)不得不推遲到工程樣車制造完成之后進(jìn)行。若臺架道路模擬試驗(yàn)的載荷來源能夠脫離試車場道路數(shù)據(jù)采集，則臺架道路模擬試驗(yàn)可至少提前半年進(jìn)行，能有效縮短系統(tǒng)級和整車級臺架結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)的周期。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，多體動力學(xué)軟件已能準(zhǔn)確模擬車輛在試車場所受的載荷，因此，可將該載荷作為臺架道路模擬試驗(yàn)的載荷源［1］。美國通用汽車公司在多年前就開始掃描試車場3D路面［2］，并將數(shù)字路面導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件中，生成用于臺架道路模擬試驗(yàn)的虛擬載荷信號，在騾子車階段完全取代了試車場道路數(shù)據(jù)采集［3］。歐洲車企也能利用虛擬載荷進(jìn)行前期零部件級試驗(yàn)，但對懸架或整車級多軸道路模擬試驗(yàn)運(yùn)用較少。MTS公司結(jié)合自身的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)出了一套HSRC（hybrid system response convergence）混合試驗(yàn)方法，采用虛擬輪胎模型和路面模型與實(shí)際臺架和車輛相結(jié)合的模式，也無需試車場道路數(shù)據(jù)采集［4］。國內(nèi)絕大多數(shù)整車廠目前仍然采用試車場道路數(shù)據(jù)采集的載荷作為臺架道路模擬試驗(yàn)的載荷源。一些學(xué)者專家嘗試通過建立虛擬試驗(yàn)臺預(yù)測零部件的疲勞壽命［5-6］，但這些方法仍然無法擺脫試車場道路數(shù)據(jù)采集，如果虛擬試驗(yàn)臺的載荷能來自于虛擬仿真分析，則效率會顯著提高。鑒于此，國內(nèi)各整車廠陸續(xù)開始掃描試車場路面，生成虛擬路面模型用于仿真分析。榮兵等［7］采用插值方法編程實(shí)現(xiàn)了三維虛擬路面重構(gòu)，并研究發(fā)現(xiàn)曲線規(guī)則格柵（CRG）格式的路面具有更高的計(jì)算效率。孫成智等［8］通過試車場掃描，建立了3D數(shù)字路面模型，導(dǎo)入整車模型后能有效進(jìn)行載荷預(yù)測。

本文中詳細(xì)論述了基于虛擬載荷的前懸架和后懸架臺架道路模擬試驗(yàn)方法，介紹了虛擬載荷生成方法及其數(shù)據(jù)處理流程，并在國內(nèi)首次將虛擬載荷成功運(yùn)用于物理臺架道路模擬試驗(yàn)，通過對比物理試驗(yàn)的失效結(jié)果驗(yàn)證了此試驗(yàn)方法的有效性。

1 基于虛擬載荷的試驗(yàn)方法概述

傳統(tǒng)基于試車場道路載荷的臺架道路模擬試驗(yàn)方法如圖1所示，在試車場道路數(shù)據(jù)采集之前，須對物理工程樣車的關(guān)鍵零部件貼應(yīng)變片，必要時(shí)還須在車身和軸頭安裝加速度傳感器、在輪心安裝六分力測量輪等。工程樣車在試車場采譜時(shí)，受天氣、路面、駕駛員和車輛自身狀態(tài)等條件的限制，往往需要耗費(fèi)很長時(shí)間。采譜過程全部結(jié)束之后，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和臺架道路模擬試驗(yàn)。

圖1 基于試車場道路載荷的試驗(yàn)方法

基于虛擬載荷的臺架道路模擬試驗(yàn)完全省去了試車場道路數(shù)據(jù)采集這一環(huán)節(jié)，試驗(yàn)載荷來自于虛擬仿真分析。圖2示出此試驗(yàn)方法的基本流程。模型對標(biāo)包括靜態(tài)對標(biāo)和動態(tài)對標(biāo)，其中靜態(tài)對標(biāo)是在相同激勵下將K&C試驗(yàn)臺的響應(yīng)信號與初始車輛模型響應(yīng)信號進(jìn)行對標(biāo)，而動態(tài)對標(biāo)則是基于多軸道路模擬試驗(yàn)臺。若初始車輛模型的響應(yīng)信號和臺架的響應(yīng)信號差別較大，則須進(jìn)一步修正模型，若初始車輛模型的響應(yīng)信號與臺架響應(yīng)信號一致，則該模型可用來生成虛擬載荷。結(jié)合駕駛員模型、該車型對應(yīng)的輪胎模型和試車場3D數(shù)字路面模型，利用多體動力學(xué)軟件可輸出虛擬載荷時(shí)間歷程。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將虛擬載荷轉(zhuǎn)化成迭代目標(biāo)信號，可進(jìn)行零部件級試驗(yàn)、系統(tǒng)級試驗(yàn)和整車級試驗(yàn)。由于篇幅限制，本文中僅討論懸架子系統(tǒng)的試驗(yàn)方法。

圖2 基于虛擬載荷的試驗(yàn)方法

2 虛擬載荷生成

虛擬載荷由多體動力學(xué)軟件Motion View生成，虛擬模型包括駕駛員模型、車輛模型、輪胎模型和路面模型，構(gòu)成“人-車-路”閉環(huán)系統(tǒng)。

駕駛員模型控制轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，保證車輛模型按照預(yù)定軌跡和車速在路面上正確行駛，其控制方程為

式中：β為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；Sr為傳動比；δ為前輪轉(zhuǎn)角。

根據(jù)2自由度車輛模型，可得前輪轉(zhuǎn)角與軌道誤差之間的關(guān)系［9］為

式中：a為整車質(zhì)心至前軸的距離；b為整車質(zhì)心至后軸的距離；m為整車質(zhì)量；v為車輛行駛速度；Cf為前軸側(cè)偏剛度；Cr為后軸側(cè)偏剛度；d為前視距離；Δy為即時(shí)狀態(tài)橫向位移誤差，即軌道誤差。

車輛模型基于硬點(diǎn)數(shù)模坐標(biāo)、襯套剛度曲線、緩沖塊剛度曲線、減振器阻尼特性曲線等參數(shù)建立，其中前緩沖塊剛度曲線如圖3所示，前減振器阻尼特性曲線如圖4所示。

輪胎模型采用基于柔性環(huán)假設(shè)的3D非線性FTire模型，仿真頻率高達(dá)200 Hz，且能處理極其粗糙的路面特征。通過多種類型的輪胎特性試驗(yàn)得到其力學(xué)特性數(shù)據(jù)，采用配套辨識工具進(jìn)行輪胎模型參數(shù)辨識。表1詳細(xì)列出了需要進(jìn)行的輪胎特性試驗(yàn)種類。

圖3 前緩沖塊剛度曲線

圖4 前減振器阻尼特性曲線

表1 輪胎特性試驗(yàn)種類

虛擬路面模型源自國內(nèi)某試車場，建模方式主要有3種，包括根據(jù)施工圖紙的路面幾何尺寸進(jìn)行建模，以及根據(jù)2D或3D路面高程掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。根據(jù)施工圖紙建模適用于橫截面形狀規(guī)則的路面，如方坑路等。對于橫截面形狀不規(guī)則的路面，無法根據(jù)施工圖紙直接建模，因此需要對路面高程進(jìn)行掃描，2D掃描通過激光位移傳感器對路面進(jìn)行測量，最終獲取路面高程信息，生成2D路面模型。3D掃描采用2個高分辨率激光掃描探頭結(jié)合高精度慣性補(bǔ)償系統(tǒng)，對路面進(jìn)行360°環(huán)繞掃描，獲取指定分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后處理生成3D路面模型。常用的路面模型文件有等效容積（RDF）格式、規(guī)則柵格（RGR）格式和曲線規(guī)則柵格（CRG）格式。鑒于計(jì)算效率，RDF格式僅適用于橫截面規(guī)則的路面，而對于橫截面不規(guī)則的路面，需要采用RGR格式或者CRG格式。RGR格式路面通過一系列離散矩形節(jié)點(diǎn)的高度來模擬路面高程，這些節(jié)點(diǎn)在水平面均為等間距分布。由于柵格的規(guī)則性，路面文件中每個節(jié)點(diǎn)的水平面坐標(biāo)值都無需存儲，只須儲存水平面坐標(biāo)增量、柵格原點(diǎn)坐標(biāo)、柵格旋轉(zhuǎn)角度和節(jié)點(diǎn)高度值。如果實(shí)際道路為曲線路徑，RGR文件數(shù)據(jù)可被帶有路徑軌跡的3D樣條路面文件引用，這樣規(guī)則柵格就可沿著路徑軌跡鋪設(shè)。CRG格式路面類似于帶路徑中心線的RGR格式路面，不同點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)在路面橫向的間距值可任意指定，從而能更靈活地定義各種路面。表2匯總了此次針對國內(nèi)某試車場的各種路面建模方法。

表2 虛擬路面建模方法

將駕駛員模型、輪胎特性文件、虛擬路面模型與車輛模型集成，構(gòu)成完整的虛擬模型，進(jìn)行仿真分析，生成虛擬載荷。圖5展示了Motion View中的虛擬模型。

3 數(shù)據(jù)處理與載荷相關(guān)性分析

圖5 Motion View虛擬模型

對于由多體動力學(xué)軟件生成的虛擬載荷，須先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，才能得到迭代目標(biāo)信號，用于臺架試驗(yàn)迭代。表3和表4分別列出了前、后懸架系統(tǒng)的虛擬載荷通道。數(shù)據(jù)處理的流程如圖6所示，首先修改虛擬載荷信號的頭文件，使時(shí)域分辨率、頻域分辨率、通道名稱和通道順序等滿足試驗(yàn)要求。對于模型與臺架單位定義不同的通道，須對其進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。由于試驗(yàn)臺架繞Z軸的轉(zhuǎn)角很小，無法全面模擬車輛在試車場的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，試驗(yàn)時(shí)將車輛轉(zhuǎn)向機(jī)鎖死在中間位置，只模擬繞Z軸的力矩，并不模擬繞Z軸的運(yùn)動，因此須對虛擬載荷信號進(jìn)行轉(zhuǎn)向修正，修正公式為

式中：Fx，F(xiàn)y分別為修正前的輪心縱向力和側(cè)向力；FxE，F(xiàn)yE分別為修正后的輪心縱向力和側(cè)向力。

表3 前懸架系統(tǒng)虛擬載荷通道

表4 后懸架系統(tǒng)虛擬載荷通道

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

為滿足臺架試驗(yàn)快速驗(yàn)證的需求，往往須對信號進(jìn)行壓縮，刪除對損傷貢獻(xiàn)量小的信號，以加速試驗(yàn)周期。采用基于 Miner法則的偽損傷計(jì)算方法［10］，以保留一定百分比的原始信號偽損傷為標(biāo)準(zhǔn)，對信號進(jìn)行時(shí)域壓縮，其中偽損傷保留的百分比由企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

最后按要求提取通道，通道順序需與試驗(yàn)站臺設(shè)置文件中的通道順序一致。

為驗(yàn)證基于多體動力學(xué)軟件生成的虛擬載荷的準(zhǔn)確性，對虛擬載荷與實(shí)際道路載荷進(jìn)行相關(guān)性分析。由于載荷通道數(shù)較多，此處僅以比利時(shí)路面左前輪心縱向力為例進(jìn)行說明。表3列出了兩種載荷源下左前輪心縱向力統(tǒng)計(jì)學(xué)特性的對比，圖7～圖9分別展示了雨流計(jì)數(shù)、穿級計(jì)數(shù)和功率譜密度的對比?？梢?，虛擬載荷與實(shí)際道路載荷相關(guān)性很好。

圖7 雨流計(jì)數(shù)對比

圖8 穿級計(jì)數(shù)對比

圖9 功率譜密度對比

4 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證的總體思路為：首先根據(jù)上述多體動力學(xué)軟件生成的虛擬載荷信號，進(jìn)行一輪前、后懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)；其次對相同狀態(tài)的零件，通過傳統(tǒng)試車場數(shù)據(jù)采集，得到試車場的真實(shí)道路載荷，再進(jìn)行一輪前、后懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)；最后對比分析兩輪耐久試驗(yàn)的零件失效位置和發(fā)生失效的時(shí)間，若一致，則說明基于虛擬載荷的懸架道路模擬試驗(yàn)方法是有效的。

4.1 夾具設(shè)計(jì)

試驗(yàn)車輛的前懸架為麥弗遜結(jié)構(gòu)，后懸架為扭力梁結(jié)構(gòu)。對于虛擬模型里輸出的懸架與車身分界面間的作用力，在實(shí)車試驗(yàn)中可用力傳感器進(jìn)行測量。在傳統(tǒng)的懸架試驗(yàn)夾具基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在懸架與夾具的分界面上加裝力傳感器，其所測得的力信號能準(zhǔn)確表征懸架與車身分界面的力。圖10和圖11分別示出前懸架和后懸架試驗(yàn)中力傳感器的安裝位置，其中前懸架有2個力傳感器安裝點(diǎn)，后懸架有6個力傳感器安裝點(diǎn)。

圖10 前懸架試驗(yàn)中力傳感器安裝位置

圖11 后懸架試驗(yàn)中力傳感器安裝位置

4.2 模型辨識

對系統(tǒng)施加特定白噪聲激勵信號，得到此激勵下的響應(yīng)信號，采用頻率響應(yīng)函數(shù)法進(jìn)行模型辨識，求解公式為

式中：H（f）為系統(tǒng)模型；Gyx（f）為響應(yīng)信號和激勵信號的互功率譜；Gxx（f）為激勵信號的自功率譜。

4.3 迭代

迭代的目的是得到試驗(yàn)臺架的驅(qū)動信號，使被試件在此驅(qū)動下的響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致，其基本流程如圖12所示。對于懸架系統(tǒng)試驗(yàn)，迭代質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)主要包括各通道均方根值誤差、最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號的偽損傷值對比、幅值對比和功率譜密度對比等。

圖12 迭代流程圖

傳統(tǒng)的懸架道路模擬試驗(yàn)迭代通道通常包括由測量輪測出的輪心六分力信號和由關(guān)鍵零部件應(yīng)變片測出的應(yīng)變信號，但由于在虛擬模型中計(jì)算應(yīng)變耗時(shí)長、效率低，傳統(tǒng)的迭代方法和迭代通道選擇需要改變。懸架與夾具連接面上的力傳感器信號能直接反映零件的真實(shí)受力狀態(tài)，因此選用此力信號作為首要迭代控制目標(biāo)，測量輪的六分力信號作為次要迭代控制通道。

應(yīng)用MTS公司的 RPC軟件［11］對臺架進(jìn)行迭代，迭代路面包括比利時(shí)路、方坑路、扭曲路等。由于篇幅有限，文中僅展示損傷占比最大的比利時(shí)路面的迭代效果。表5列出了比利時(shí)路面各通道最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號的偽損傷值之比。由表可見，各通道偽損傷比值均在60%～180%之間，滿足企業(yè)規(guī)范要求。圖13截取了部分左前輪心縱向力時(shí)域信號，可見時(shí)域上最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致。圖14展示了左前輪心縱向力功率譜密度對比，可見頻域上最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致。其余31個通道的迭代結(jié)果與左前輪心縱向力類似。分析表明迭代效果很好，臺架最終響應(yīng)信號復(fù)現(xiàn)了迭代目標(biāo)信號。

表5 迭代各通道偽損傷對比 %

4.4 耐久試驗(yàn)

圖13 左前輪心縱向力時(shí)域信號對比

圖14 左前輪心縱向力功率譜密度對比

提取各路面迭代的最終驅(qū)動信號，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各路面循環(huán)次數(shù)進(jìn)行一輪基于虛擬載荷的耐久試驗(yàn)。同時(shí)，采用相同狀態(tài)的懸架系統(tǒng)零件，基于傳統(tǒng)的試車場道路載荷再進(jìn)行一輪臺架耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)臺架如圖15所示。兩輪試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)前控制臂襯套、后橋左右兩側(cè)襯套和后橋本體焊縫等處開裂，其中控制臂襯套開裂如圖16所示。表6列出了兩輪耐久試驗(yàn)中3處開裂發(fā)生的時(shí)間。由表可見，基于虛擬載荷的懸架試驗(yàn)不僅能完全復(fù)現(xiàn)失效位置，且失效發(fā)生的時(shí)間也非常接近，相對誤差＜7%。

圖15 試驗(yàn)臺架

圖16 控制臂襯套開裂

表6 耐久試驗(yàn)失效發(fā)生時(shí)間對比

為進(jìn)一步揭示虛擬載荷與試車場真實(shí)道路載荷的當(dāng)量關(guān)系，在后橋7處高應(yīng)力區(qū)貼應(yīng)變片（見圖17），分別用基于虛擬載荷的臺架驅(qū)動和基于試車場載荷的臺架驅(qū)動作為激勵，采集應(yīng)變片的時(shí)域信號，并進(jìn)行偽損傷分析計(jì)算。以基于試車場載荷的偽損傷值為基準(zhǔn)，表7列出了后橋7處應(yīng)變信號偽損傷值對比，可見虛擬載荷可用來表征試車場真實(shí)道路載荷，臺架試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)反映試車場試驗(yàn)結(jié)果。

圖17 后橋貼片位置

表7 后橋應(yīng)變信號偽損傷對比 %

5 結(jié)論

基于虛擬載荷的懸架道路模擬試驗(yàn)方法能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)被試件的耐久失效情況，將此試驗(yàn)方法加入整車開發(fā)流程中，可有效縮短整車開發(fā)周期，且由于不需要用于試車場道路數(shù)據(jù)采集的工程樣車，能為項(xiàng)目節(jié)省至少幾百萬元人民幣的制造費(fèi)用。