基于虛擬迭代的某重型商用車駕駛室疲勞分析

孟科委, 王啟棟, 胡金芳, 谷先廣,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.太航常青汽車安全系統(tǒng)(蘇州)股份有限公司,江蘇 蘇州 215100)

傳統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng),而且成本高昂,以計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering,CAE)技術(shù)為基礎(chǔ)的耐久性疲勞仿真分析方法與傳統(tǒng)分析方法相比具有周期短、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車結(jié)構(gòu)疲勞分析的重要方法[1-3]。文獻(xiàn)[4]采用對(duì)前、后車輪單獨(dú)加載六分力信號(hào)獲得車身連接處載荷的方法進(jìn)行客車車身疲勞耐久性能分析,得到理想的分析結(jié)果,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；文獻(xiàn)[5]利用ADAMS軟件建立車架-駕駛室多體模型,應(yīng)用虛擬迭代法提取得到某輕卡駕駛室懸置處載荷譜,對(duì)駕駛室進(jìn)行疲勞分析,得到駕駛室的疲勞壽命結(jié)果,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性；文獻(xiàn)[6]以采集的道路載荷譜激勵(lì)多體動(dòng)力學(xué)模型,提取得到車身連接點(diǎn)載荷,通過(guò)有限元疲勞仿真分析,預(yù)測(cè)整車壽命,仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致；文獻(xiàn)[7]綜合虛擬試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)和虛擬迭代技術(shù)對(duì)乘用車進(jìn)行車身疲勞壽命分析,分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況基本一致；文獻(xiàn)[8]以路試測(cè)得的輪心加速度和彈簧變形量等內(nèi)力載荷為輸入,以建立的多體動(dòng)力學(xué)模型為載體,通過(guò)虛擬迭代法得到輪心垂向位移譜,驅(qū)動(dòng)多體模型仿真,得到各部件的載荷譜；文獻(xiàn)[9]在建立車輛虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上,將測(cè)量得到的真實(shí)道路輪心六分力加載到模型上進(jìn)行激勵(lì),仿真分析得到車身及零部件疲勞載荷，結(jié)果分析表明,該方法在保證建模和路試采集數(shù)據(jù)精度的前提下具有較好的效果。

目前應(yīng)用虛擬迭代技術(shù)進(jìn)行重型商用車零部件疲勞分析的相關(guān)研究較少。本文以某重型商用車駕駛室為研究對(duì)象,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的基本參數(shù)建立駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型；再結(jié)合路試采集的目標(biāo)加速度信號(hào)應(yīng)用虛擬迭代[10-11]技術(shù)進(jìn)行駕駛室疲勞壽命分析,預(yù)測(cè)出駕駛室潛在的疲勞危險(xiǎn)部位,并通過(guò)室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的正確性；在此基礎(chǔ)上,對(duì)危險(xiǎn)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),提高駕駛室的疲勞壽命。

1 目標(biāo)信號(hào)采集

采集準(zhǔn)確可靠的目標(biāo)信號(hào)是進(jìn)行駕駛室疲勞分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。為了確保采集信號(hào)的準(zhǔn)確性,測(cè)試車輛采用掛車、滿載40 t進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)在駕駛室不同部位放置總重量160 kg的沙袋模擬駕駛室的使用載荷,使試驗(yàn)車輛整車整備質(zhì)量、使用形式與目標(biāo)車輛實(shí)際使用方式保持一致。

測(cè)量設(shè)備及數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖1所示,采集的目標(biāo)信號(hào)有駕駛室與懸置系統(tǒng)連接處的目標(biāo)加速度信號(hào)和駕駛室頂部的參考加速度信號(hào)。

圖1 路試車輛和測(cè)量設(shè)備

定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)典型強(qiáng)化道路路試情況見表1所列,路試過(guò)程中使用GPS設(shè)備監(jiān)測(cè)車輛行駛速度。為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,道路測(cè)試共進(jìn)行3次循環(huán)測(cè)試,對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、去除尖峰值以及重采樣等處理,選取相對(duì)理想的數(shù)據(jù)作為最終路試采集的目標(biāo)信號(hào)數(shù)據(jù)。以卵石路路況為例,采集的駕駛室左前懸置連接處Z向加速度信號(hào)如圖2所示。

表1 典型路面路試參數(shù)

圖2 駕駛室左前懸置連接處Z向加速度信號(hào)

2 模型建立及目標(biāo)部位載荷譜提取

2.1 駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型建立

建立的駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的精度對(duì)目標(biāo)載荷譜的正確提取有著顯著的影響,為保證所建模型的精度,建模所需的基本參數(shù)均是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得的。

為簡(jiǎn)化模型,在符合力學(xué)特性基礎(chǔ)上以一個(gè)質(zhì)量集中的剛性小球代替駕駛室進(jìn)行建模。為模擬實(shí)車駕駛室狀態(tài),在駕駛室放置總重為160 kg的沙袋模擬駕駛室的使用載荷,測(cè)得的駕駛室質(zhì)心位置見表2所列,駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量見表3所列。

表2 駕駛室質(zhì)心位置

表3 駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg·m2

懸置系統(tǒng)主要由空氣彈簧和橡膠襯套組成?？諝鈴椈删哂忻黠@的動(dòng)態(tài)特性,在某一特定工作氣壓下,它的剛度隨著載荷的變化而變化。根據(jù)空氣彈簧剛度特性曲線在ADAMS軟件中編寫屬性文件進(jìn)行空氣彈簧建模,試驗(yàn)測(cè)得的空氣彈簧剛度特性曲線如圖3所示。

圖3 空氣彈簧剛度特性曲線

根據(jù)試驗(yàn)得到橡膠襯套的位移-力關(guān)系曲線,擬合計(jì)算得到襯套的剛度、阻尼值,在ADAMS軟件中進(jìn)行賦值完成橡膠襯套建模。以三角臂連接處襯套為例,測(cè)得的剛度特性曲線如圖4所示。

圖4 襯套剛度特性曲線

本次分析中的商用車車架尺寸較大,而且駕駛室通過(guò)懸置系統(tǒng)主要與車架前段部分相連,對(duì)駕駛室動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性有顯著影響的是車架前段部分,因此在對(duì)車架建模時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,截取車架前段部分進(jìn)行建模,截取位置與參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)的截取位置保持一致?？紤]在實(shí)際行駛過(guò)程中車架會(huì)發(fā)生彈性變形,影響駕駛室的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性,為了更加精確地建立車架模型,對(duì)車架采用柔性體建模。

本文建立的多體動(dòng)力學(xué)模型主要由駕駛室、空氣彈簧懸置、橡膠襯套、車架4個(gè)部分組成。建立的駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

在駕駛室與懸置系統(tǒng)連接處(與實(shí)車測(cè)試時(shí)加速度傳感器安裝位置保持一致)建立4個(gè)request作為虛擬迭代的輸出響應(yīng)信號(hào),為模擬駕駛室在實(shí)際行駛中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；在車架垂向和水平方向上施加7個(gè)位移驅(qū)動(dòng),模擬車輛行駛中的俯仰、橫擺、跳動(dòng)等工況。

2.2 目標(biāo)部位載荷譜提取

2.2.1 虛擬迭代原理

虛擬迭代法根據(jù)路試采集的目標(biāo)信號(hào),通過(guò)多體模型迭代出整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),虛擬迭代原理如下所述。

(1) 以多體動(dòng)力學(xué)模型作為一個(gè)系統(tǒng),輸入白噪聲信號(hào)u0(s)激勵(lì)系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)y0(s),求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

(1)

進(jìn)而求出逆?zhèn)鬟f函數(shù)F-1(s)。

(2) 以路試采集的信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)yd(s),根據(jù)逆?zhèn)鬟f函數(shù)F-1(s)計(jì)算初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)為:

u1(s)=F-1(s)yd(s)

(2)

(3) 初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)多體動(dòng)力學(xué)模型得到響應(yīng)信號(hào)y1(s),因?yàn)閭鬟f函數(shù)不能精確表征多體動(dòng)力學(xué)模型,所以目標(biāo)信號(hào)yd(s)與響應(yīng)信號(hào)y1(s)之間存在一定的誤差。

(4) 用修正算法將逆?zhèn)鬟f函數(shù)F-1(s)固定,通過(guò)(3)式進(jìn)行反復(fù)迭代,直到響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)之間誤差滿足精度要求,停止迭代,即

uk+1(s)=uk(s)+F-1(s)[yd(s)-yk(s)]

(3)

其中:yk(s)為第k次迭代響應(yīng)信號(hào);uk(s)為第k次驅(qū)動(dòng)信號(hào);k為迭代次數(shù)。

2.2.2 虛擬迭代提取載荷譜

虛擬迭代結(jié)果的正確性判定主要從迭代得到的響應(yīng)信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ燃捌湎鄬?duì)誤差均方根RMS值的變化趨勢(shì)2個(gè)方面進(jìn)行綜合判定。以卵石路路況為例,駕駛室左前懸置處第9次仿真迭代信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ冉Y(jié)果如圖6所示,迭代信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的參數(shù)對(duì)比見表4所列。

圖6 駕駛室左前懸置連接處Z向加速度對(duì)比

表4 迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)參數(shù)對(duì)比

由圖6、表4可知,迭代信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ鹊姆导白兓厔?shì)基本一致,參數(shù)誤差均在10%以內(nèi)。

迭代過(guò)程中RMS值變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,迭代過(guò)程中各通道RMS值一直減小,逐漸趨向于0,在第9次迭代之后達(dá)到RMS<0.15,滿足委托方RMS<0.2的精度要求,停止迭代。

圖7 各通道迭代信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)相對(duì)誤差均方根值曲線

基于上述虛擬迭代方法迭代得到各種路況下的位移驅(qū)動(dòng)信號(hào),按照路試順序拼接得到包含全部路試工況的位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)。使用迭代求得的位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析,提取用于駕駛室疲勞分析的載荷譜。

以駕駛室左前懸置連接處為例,分解得到的Z向載荷譜如圖8所示。

圖8 駕駛室左前懸置連接處Z向載荷譜

3 駕駛室疲勞分析

3.1 駕駛室有限元建模

駕駛室有限元模型是疲勞仿真分析的基礎(chǔ)。為達(dá)到所建模型在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、力學(xué)特性和幾何特性等方面盡可能與實(shí)車保持一致,本文建立全內(nèi)飾駕駛室有限元模型用于駕駛室疲勞分析。

在HyperMesh軟件中對(duì)駕駛室有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和焊接處理。采用四邊形殼單元網(wǎng)格類型進(jìn)行模擬,網(wǎng)格尺寸為8 mm,在保留結(jié)構(gòu)輪廓形態(tài)的基礎(chǔ)上,劃分的網(wǎng)格盡可能具有規(guī)則的形狀,網(wǎng)格劃分完成后對(duì)網(wǎng)格翹曲度、雅各比、細(xì)長(zhǎng)比等參數(shù)進(jìn)行檢查,對(duì)不滿足要求的網(wǎng)格進(jìn)行局部精細(xì)劃分,提高網(wǎng)格質(zhì)量,保證應(yīng)力分析計(jì)算精度。焊點(diǎn)采用ACM實(shí)體單元進(jìn)行模擬,焊點(diǎn)直徑為6 mm,焊縫采用殼單元進(jìn)行模擬,螺栓連接采用rbe2剛性單元進(jìn)行模擬,在螺栓孔周圍添加washer避免應(yīng)力分析時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中,建立的駕駛室有限元模型如圖9所示。應(yīng)用慣性釋放法[12-13]進(jìn)行單位載荷下的駕駛室應(yīng)力分析,為駕駛室疲勞分析奠定基礎(chǔ)。

圖9 駕駛室有限元模型

3.2 駕駛室疲勞壽命分析

駕駛室在行駛過(guò)程中受到的沖擊載荷多變,且駕駛室多由鈑金件組成,容易發(fā)生變形,因此本文采用局部應(yīng)力-應(yīng)變法[14]對(duì)其進(jìn)行疲勞分析,由線性累積損傷理論[15]可知，零件在載荷循環(huán)作用下產(chǎn)生的損傷累加值D=1時(shí)零件發(fā)生疲勞破壞。

根據(jù)駕駛室單位載荷下的應(yīng)力分析結(jié)果、虛擬迭代提取的載荷譜、駕駛室材料ε-N曲線進(jìn)行駕駛室疲勞分析,駕駛室疲勞壽命分布云圖如圖10所示。從圖10可以看出,駕駛室疲勞破壞主要集中在前圍板。

前圍板疲勞壽命云圖如圖11所示,前圍板危險(xiǎn)網(wǎng)格單元循環(huán)次數(shù)見表5所列。

該商用車駕駛室設(shè)計(jì)壽命里程為強(qiáng)化路面上行駛2.8×104km,試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路單次行駛里程為7.3 km,需進(jìn)行3 836次循環(huán)。

由圖11可知,前圍板共有4處壽命不滿足設(shè)計(jì)要求。后期進(jìn)行的駕駛室室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在上述4處附近均出現(xiàn)不同程度的裂紋,仿真疲勞分析結(jié)果與道路模擬試驗(yàn)結(jié)果見表6所列。

圖11 前圍板疲勞壽命云圖

表5 前圍板危險(xiǎn)網(wǎng)格單元循環(huán)次數(shù)列表

表6 疲勞破壞處仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表6可以看出,駕駛室出現(xiàn)疲勞破壞位置的仿真壽命與室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)壽命相對(duì)誤差在20%以內(nèi),在合理范圍內(nèi)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了駕駛室疲勞仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由表5危險(xiǎn)網(wǎng)格單元ID和圖11前圍板疲勞壽命云圖可知,前圍板疲勞破壞部位主要集中在截面過(guò)渡位置和螺栓孔周圍。

為提高前圍板的疲勞壽命,對(duì)危險(xiǎn)位置采用增大厚度0.5 mm處理。對(duì)重新設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行疲勞分析,改進(jìn)后的前圍板壽命云圖如圖12所示。

圖12 前圍板疲勞壽命云圖

由圖12可知,改進(jìn)后的前圍板最低壽命循環(huán)次數(shù)為5 150次,折合成強(qiáng)化道路行駛里程為3.7×104km,滿足強(qiáng)化道路行駛2.8×104km的設(shè)計(jì)要求,駕駛室疲勞破壞問(wèn)題得到解決。

4 結(jié) 論

(1) 本文建模所需參數(shù)均通過(guò)試驗(yàn)獲得,提高了建立的駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的精度,為虛擬迭代準(zhǔn)確提取載荷譜奠定了基礎(chǔ)。

(2) 應(yīng)用虛擬迭代方法成功預(yù)測(cè)出駕駛室疲勞壽命危險(xiǎn)部位出現(xiàn)在前圍板上,并通過(guò)室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性，證明了虛擬迭代技術(shù)用于重型商用車零部件疲勞分析的可行性和有效性。

(3) 通過(guò)對(duì)前圍板的疲勞破壞部位進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn),提高了駕駛室的疲勞壽命,為后期的實(shí)車改進(jìn)提供了依據(jù),對(duì)縮減試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)成本具有一定的參考意義。