基于臺(tái)架模擬和CAE分析的重卡駕駛室可靠性優(yōu)化及驗(yàn)證

李棟 石國(guó)強(qiáng) 呂敬偉 周強(qiáng)

一汽解放青島汽車有限公司 山東青島 266043

對(duì)于商用車駕駛室總體性能的考核有很多方面，其中包括碰撞安全強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度、可靠性等。很多方面都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證，但可靠性是由各個(gè)企業(yè)自行規(guī)定且方法不盡相同，并且直接關(guān)系著乘員乘坐舒適性和安全性，是車輛的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。

目前駕駛室可靠性考核主要有試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)和CAE分析兩種。大多數(shù)廠家以試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，試車場(chǎng)試驗(yàn)是符合汽車行駛狀況的試驗(yàn)方法，存在時(shí)間周期長(zhǎng)、易受外界因素影響等局限性，而CAE分析又缺乏驗(yàn)證，駕駛室臺(tái)架模擬可靠性試驗(yàn)可以彌補(bǔ)上述不足。本文針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的駕駛室開裂故障，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和CAE分析制定優(yōu)化方案，最終通過(guò)驗(yàn)證。通過(guò)這些試驗(yàn)方法達(dá)到了考核產(chǎn)品可靠性能的目的，能夠盡可能早的發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計(jì)問(wèn)題，最大限度地降低工程風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期，提高汽車開發(fā)質(zhì)量[2]。

1 試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)問(wèn)題及原因分析

1.1 試驗(yàn)問(wèn)題

駕駛室在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋，開裂位置集中在前圍內(nèi)板橫梁（圖1）及地板梁處（圖2）。

圖1 前圍內(nèi)板橫梁接線盒處、空調(diào)管口處、工藝孔處

圖2 地板前縱梁、縱梁加強(qiáng)板R角

1.2 原因分析及改進(jìn)方案

根據(jù)駕駛室裂紋情況進(jìn)行分析，開裂問(wèn)題可能是由于在結(jié)構(gòu)上抗扭轉(zhuǎn)能力不足和駕駛室鈑金材料強(qiáng)度不足引起的。解決開裂問(wèn)題是車身可靠性設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一，提升車身的疲勞性能通常的方法為增加加強(qiáng)板[3]。

首先對(duì)駕駛室的鈑金材料進(jìn)行加強(qiáng)，其措施包括在前縱梁與前圍內(nèi)板橫梁處采用滿焊，鈑金采用增加強(qiáng)度板料，地板梁加強(qiáng)板采用高強(qiáng)度鋼板，然后在結(jié)構(gòu)上提出了五種增強(qiáng)方案（圖3）：

圖3 加強(qiáng)方案

a.地板梁與前橫梁連接處補(bǔ)焊加強(qiáng)筋；b.地板前橫梁處增加加強(qiáng)板；c.加反扣的前橫梁；d.螺栓加管梁；e.增加鉸接軸。

2 改進(jìn)方案的CAE驗(yàn)證

對(duì)駕駛室建立有限元模型進(jìn)行CAE分析（圖4），構(gòu)建白車身帶懸置支架并通過(guò)集中質(zhì)量單元將車門、座椅、儀表、臥鋪、玻璃等附件及乘員的重量連接到白車身上構(gòu)建整備車身模型。重點(diǎn)確認(rèn)故障位置的應(yīng)力集中情況及改進(jìn)情況。

圖4 駕駛室模型

分兩種工況對(duì)駕駛室加載載荷：a.垂向顛簸工況，約束懸置XYZ三向平動(dòng)自由度，Z向施加3G載荷，b.扭轉(zhuǎn)工況：約束后懸置和右前懸置XYZ三向平動(dòng)自由度，左前懸置點(diǎn)施加Z向5 000 N集中載荷前圍內(nèi)板的CAE分析對(duì)比結(jié)果見圖5。

圖5 五種駕駛室加強(qiáng)方案CAE分析對(duì)比

根據(jù)CAE分析，現(xiàn)駕駛室結(jié)構(gòu)狀態(tài)在失效點(diǎn)附近應(yīng)力值較大，加鉸接軸方案對(duì)駕駛室原失效點(diǎn)附近應(yīng)力改善效果最佳，應(yīng)力降低幅度最明顯。然后用在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化壞路隨車采集的駕駛室四個(gè)懸置點(diǎn)附近的振動(dòng)路譜信號(hào)進(jìn)行臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)增加鉸接軸和改進(jìn)材料對(duì)駕駛室可靠性的改善程度。

3 改進(jìn)方案的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 傳遞函數(shù)的標(biāo)定

試驗(yàn)用駕駛室按照在整車上的安裝方式安裝在六自由度試驗(yàn)平臺(tái)上，并用75 kg假人作為駕駛員配重。將加速度傳感器按采集振動(dòng)載荷譜時(shí)的位置安裝在待測(cè)駕駛室上（圖6）。

圖6 駕駛室安裝及部分測(cè)點(diǎn)位置

臺(tái)架發(fā)出的六個(gè)自由度的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)白粉紅噪為激勵(lì)信號(hào)，帶寬根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)采集信號(hào)的能量分布取50 Hz以內(nèi)，平動(dòng)信號(hào)振幅 3 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)振幅0.5°。對(duì)駕駛室、臺(tái)架構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行傳遞函數(shù)的標(biāo)定，以駕駛室懸置附近四個(gè)目標(biāo)點(diǎn)共12方向的信號(hào)為響應(yīng)點(diǎn)測(cè)定傳遞函數(shù)。

頻率處理及功率譜計(jì)算后得到6×12個(gè)傳遞函數(shù)，其中左前、右前測(cè)點(diǎn)Z方向與Z向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的函數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 經(jīng)功率譜計(jì)算后的傳遞函數(shù)

3.2 目標(biāo)信號(hào)的迭代和模擬試驗(yàn)信號(hào)的生成

首選對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，刪除凸塊路、石塊路等特征路面的連接路面信號(hào)，然后按信號(hào)的能量分布取50 Hz以內(nèi)進(jìn)行低通濾波，將試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)多輸入、多輸出系統(tǒng)，H(ω)為其頻響函數(shù)矩陣，試驗(yàn)系統(tǒng)的輸入（臺(tái)架驅(qū)動(dòng)）、輸出（臺(tái)架駕駛室信號(hào)）信號(hào)向量在頻域?yàn)閄(ω)、Y(ω)。系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)與頻響函數(shù)的關(guān)系式為：

目標(biāo)信號(hào)（試驗(yàn)場(chǎng)采集信號(hào)）為yd(t)，目標(biāo)信號(hào)的傅立葉變換為：

設(shè)頻域初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)為X0(ω)，則有：

一般響應(yīng)信號(hào)的個(gè)數(shù)比激振信號(hào)的個(gè)數(shù)要多，則H(ω)不是方陣，因此不能利用直接求逆的方式計(jì)算，可以用最小二乘的方法求得初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

對(duì)頻域值 X0(ω)進(jìn)行傅立葉逆變換就可以得到初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)域值：

下一步用X0(t)去激勵(lì)系統(tǒng)，同時(shí)采集系統(tǒng)的第1次響應(yīng)信號(hào)y1(t)開始迭代。設(shè)第i次迭代采集到系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)為yi(t)（下標(biāo)i表示第i次迭代）。計(jì)算測(cè)得響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)期望信號(hào)的時(shí)域誤差為：

按照迭代誤差的定義計(jì)算每個(gè)響應(yīng)點(diǎn)的誤差,判斷是否滿足收斂要求。若所有響應(yīng)點(diǎn)都滿足收斂要求,則將此次臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接著進(jìn)行下一段目標(biāo)期望信號(hào)的迭代；否則要對(duì)∈(t)進(jìn)行傅立葉變換，得到頻域響應(yīng)誤差：

因響應(yīng)信號(hào)的個(gè)數(shù)比激振信號(hào)的個(gè)數(shù)要多，則頻域的驅(qū)動(dòng)信號(hào)修正信號(hào)為：

將ΔXi(ω)進(jìn)行傅立葉逆變換就得到了時(shí)域的驅(qū)動(dòng)信號(hào)修正信號(hào)：

把ΔXi(ω)加到上一次迭代的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ΔXi-1(t)上去，得到本次修正后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為防過(guò)載，一般對(duì)修正信號(hào)ΔXi(t)進(jìn)行適當(dāng)衰減，再用新得到的信號(hào)去激勵(lì)系統(tǒng)，這樣反復(fù)迭代，直到收斂為止[4]。

如何定義迭代是否收斂即迭代誤差也是該試驗(yàn)方法的一個(gè)重要問(wèn)題。由上述信號(hào)迭代可以得到直接誤差，即目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的差值，但得到的是多條曲線，無(wú)法作為收斂準(zhǔn)則使用。這里采用均方根值定義。將差值曲線與目標(biāo)信號(hào)的均方根值比作為迭代誤差，以其接近于零的程度來(lái)判斷是否收斂，反映了響應(yīng)與目標(biāo)信號(hào)在整個(gè)時(shí)間歷程上偏差值的大小。

迭代完成后部分測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)信號(hào)與臺(tái)架采集到的時(shí)、頻域響應(yīng)信號(hào)對(duì)比，如圖8、圖9所示?？梢妰啥涡盘?hào)基本吻合（左前、右前懸置附近測(cè)點(diǎn)Z向信號(hào)為例，紅色為目標(biāo)信號(hào)，藍(lán)色為臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)。

圖8 時(shí)域信號(hào)對(duì)比

圖9 頻域信號(hào)對(duì)比

采集到此時(shí)響應(yīng)信號(hào)的臺(tái)架驅(qū)動(dòng)位移和角度信號(hào)就可作為此段路面臺(tái)架可靠性試驗(yàn)的實(shí)時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。最終得到各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)與試驗(yàn)場(chǎng)采集信號(hào)的均方根值誤差控制在10%左右，部分路面的信號(hào)（左前、右前測(cè)點(diǎn)）誤差值如表1所示。

表1 均方根值誤差

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將總計(jì)14種特征路面的迭代生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接起來(lái)總計(jì)710 s，相當(dāng)于試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化壞路7 km，驅(qū)動(dòng)臺(tái)架進(jìn)行模擬強(qiáng)化壞路的可靠性試驗(yàn)10 000 km，每隔一小時(shí)檢查一次臺(tái)架與駕駛室的狀態(tài)。試驗(yàn)完畢在前圍內(nèi)板橫梁處、地板梁前縱梁及翻邊圓角等前期開裂位置處未再出現(xiàn)裂紋，滿足可靠性試驗(yàn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)是一種高效、試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好、精度高、切實(shí)可行的先進(jìn)試驗(yàn)方法。本文結(jié)合CAE分析對(duì)車身的應(yīng)力分布情況及駕駛室故障原因進(jìn)行排查，并提出優(yōu)化方案，利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了快速可靠性驗(yàn)證，兩者互相補(bǔ)充，提高了設(shè)計(jì)效率和新產(chǎn)品質(zhì)量。