輕型商用車的VPG技術(shù)及應(yīng)用研究

林明世，李明一，劉志敏，竇德海，季紅麗

摘? 要：為了提高懸架系統(tǒng)零部件耐久分析精度，減少開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，首先本文制定了適用于輕型商用車使用場(chǎng)景的懸架系統(tǒng)耐久分析工況和試驗(yàn)工況，然后建立整車多提動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用虛擬試驗(yàn)場(chǎng)（DVP）技術(shù)，進(jìn)行時(shí)域下的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)道路的整車動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)懸架系統(tǒng)零部件進(jìn)行載荷分解。最后采用分解后的載荷進(jìn)行零部件的有限元分析。該方法更真實(shí)的反映了整車在實(shí)際路面懸架受力情況，考慮因素更加全面，精度更高，分析方法更加有效。

關(guān)鍵詞：VPG；輕型商用車；懸架；虛擬路面

中圖分類號(hào)：U463.34? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2023）03-0002-08

The VPG Technology and Application Research of Light Commercial Vans

Lin Ming-shi， Li Ming-yi， Liu zhi-min， Dou De-hai， Ji Hong-li

（ Zhejiang Farizon Commercial Vehicle R&D Co.， Ltd， Hangzhou 325000， China）

Abstract： In order to the durability analysis accuracy of suspension system parts is improved， firstly， the development time is reduced， and costs is reduced， this paper the endurance analysis conditions and test conditions of the suspension system suitable for the use scenarios of light commercial vehicles are established， secondly， the vehicle multi-lift dynamic model is established， and the virtual proving ground （DVP） technology is applied， the vehicle dynamics of the virtual proving ground in the time domain is simulated， and the component load is decomposed of the suspension system parts. Finally， the decomposed load is used for the finite element analysis（FEA） of the component. This method more realistically reflects the force of the suspension of the whole vehicle on the actual road， and the considerations are more comprehensive， the accuracy is higher， and the analysis method is more effective.

Key words： VPG（Virtual Proving Ground）; Light Commercial Vehicle; Suspension; Characteristic Road

1? ? 前言

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，有80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞是由疲勞破壞所造成的，隨著機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)速度的提高，疲勞破壞更加普遍[1]。懸架系統(tǒng)承受來(lái)自路面的各種交變載荷，其疲勞強(qiáng)度性能對(duì)保證汽車產(chǎn)品的安全性和可靠性至關(guān)重要[1-2]。懸架系統(tǒng)耐久性能開(kāi)發(fā)也是商用車底盤開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，不僅影響車輛的使用壽命，同時(shí)還會(huì)波及汽車品牌的口碑。商用車的開(kāi)發(fā)周期往往比乘用車的開(kāi)發(fā)周期短，那么輕型商用車不僅要具備的較好的承載性能，同時(shí)需要滿足商用車乘用化的發(fā)展趨勢(shì)，這樣就需要制定一套適用于輕型商用車的工況場(chǎng)景定義，還需采用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)縮短開(kāi)發(fā)周期，提高懸架耐久開(kāi)發(fā)精度。

以往對(duì)于懸架系統(tǒng)耐久開(kāi)發(fā)采用典型工況的加載系數(shù)方式對(duì)輪心六分立進(jìn)行加載，并進(jìn)行懸架系統(tǒng)零部件的載荷分解；另外一種載荷分解方式是道路譜采集，通過(guò)對(duì)樣車的輪心六分力時(shí)域譜采集加載到懸架動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行懸架系統(tǒng)零部件的載荷分解。第一種方法分析精度有限；第二種方法需樣車生產(chǎn)后進(jìn)行或采用相同平臺(tái)相近車型進(jìn)行路譜采集，時(shí)間周期較長(zhǎng)，成本較高。

為此，國(guó)外各大汽車公司開(kāi)展了汽車試車場(chǎng)耐久性試驗(yàn)條件下耐久性仿真研究。Arvin Meritor 公司運(yùn)用虛擬試車場(chǎng)（VPG，Virtual Proving Ground）技術(shù)對(duì)載貨汽車底盤系統(tǒng)耐久性進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并用試驗(yàn)方法對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用；MIRA公司運(yùn)用VPG技術(shù)對(duì)轎車整車耐久性進(jìn)行了預(yù)報(bào)，取得較好效果[3，4]。

同時(shí)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真提取虛擬載荷，進(jìn)而進(jìn)行疲勞分析，支持車身和底盤結(jié)構(gòu)件耐久性能開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。面向耐久性能的汽車虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)是CAE領(lǐng)域的重大技術(shù)變革。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的疲勞耐久開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)車試驗(yàn)的依賴性，而是將真實(shí)的車輛簡(jiǎn)化并構(gòu)造動(dòng)力學(xué)模型，只保留維持內(nèi)力傳遞路徑的底盤結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合高精度的數(shù)字化路面模型和輪胎模型，用于模擬真實(shí)車輛在物理試驗(yàn)場(chǎng)耐久道路上的行駛狀態(tài)。通過(guò)仿真模擬可得出底盤各連接件之間、底盤與車身連接點(diǎn)之間的力學(xué)響應(yīng)特性，以此力學(xué)特性為輸入條件即可開(kāi)展汽車各零部件的疲勞分析與校核，支持耐久性能開(kāi)發(fā)。

本文通過(guò)對(duì)比參考本企業(yè)乘用車底盤耐久分析標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合輕型商用車型的使用工況及場(chǎng)景，制定一套適用于輕型商用車的耐久分析和試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，并采用VPG技術(shù)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)場(chǎng)路面的分析方式對(duì)懸架系統(tǒng)零部件載荷進(jìn)行分解，加載零部件的CAE模型分析，并驗(yàn)證零部件的疲勞耐久結(jié)果。采用該技術(shù)精度提升較高，壓縮了試驗(yàn)驗(yàn)證周期，節(jié)省了車型的開(kāi)發(fā)成本。

2? ? 用戶模型及分析工況

車型定義10年24萬(wàn)公里整車設(shè)計(jì)壽命，并結(jié)合車輛類型、市場(chǎng)調(diào)研及用戶目標(biāo)制定使用場(chǎng)景的用戶模型，如圖1所示。在制定用戶模型的過(guò)程中，歸類了城市道路、一般公路、高速公路和山路等類型的道路里程及行駛車速。同時(shí)對(duì)比x、y、z三個(gè)方向損傷，轉(zhuǎn)化試驗(yàn)場(chǎng)工況。由此進(jìn)行對(duì)應(yīng)于虛擬路面的強(qiáng)度及耐久工況載荷分解。

結(jié)合懸架系統(tǒng)是整車耐久設(shè)計(jì)的1.5倍系數(shù)，并對(duì)比上述用戶場(chǎng)景及試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)，制定適用于本企業(yè)輕型商用車型的整車強(qiáng)度及疲勞耐久工況，如表1所示：

3? ? 分析流程

建立基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)懸架系統(tǒng)零部件分析流程規(guī)范，首先進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)模型MBS（Dynamics of Multi-body System）搭建和驗(yàn)證的流程，如圖2所示。通常模型的驗(yàn)證需要進(jìn)行懸架系統(tǒng)的K&C（Kinematic and Compliance）驗(yàn)證，并進(jìn)行整車質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)配，需與測(cè)試相符。

然后建立基于VPG的仿真流程，仿真采用對(duì)應(yīng)車速不同路面及車輛巡跡行駛，并通過(guò)adams模型中request進(jìn)行載荷譜輸出。仿真流程如下圖3所示。若分解后的載荷譜出現(xiàn)異常，則需要核對(duì)模型和求解等過(guò)程。

耐久性分析即對(duì)零部件進(jìn)行疲勞壽命分析，而疲勞壽命分析的關(guān)鍵則是底盤邊界載荷的預(yù)測(cè)[5]。本文應(yīng)用分解后的載荷譜，加載到零部件有限元模型進(jìn)行零部件的疲勞耐久分析，若分析結(jié)果不合格，在進(jìn)行零部件模型的優(yōu)化，直至分析合格。分析流程如下圖4所示：

4? ? 模型搭建

4.1? ?輪胎模型

輪胎模型是基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)分析的多體動(dòng)力學(xué)整車模型搭建的關(guān)鍵，因?yàn)樵谔摂M試驗(yàn)場(chǎng)路面輸入多為中高頻振動(dòng)，對(duì)于這種中高頻的輪胎模型行業(yè)內(nèi)多采用Ftire輪胎模型。FTire輪胎模型原理是將胎體與胎面分開(kāi)建模，分別描述輪胎的結(jié)構(gòu)與接觸問(wèn)題，其建模核心是將輪胎鋼絲帶束用80～200個(gè)集中質(zhì)量的結(jié)點(diǎn)代替，稱為帶束結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)之間通過(guò)彈簧阻尼連接，以此來(lái)反映輪胎的各向特性。FTire輪胎模型首先要對(duì)輪胎進(jìn)行物理臺(tái)架測(cè)試（如圖5所示），模型辨識(shí)過(guò)程就是在特定軟件中利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)每一個(gè)對(duì)標(biāo)工況進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)與調(diào)整，使模型表現(xiàn)出的力學(xué)性能與試驗(yàn)結(jié)果一致。本文采用的是輪胎型號(hào)215/75 R16的輪胎，辨識(shí)輪胎模型特性文件和輪胎模型如下圖6、7所示：

4.2? ?整車動(dòng)力學(xué)模型

建立可應(yīng)用于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真的整車MBS模型，該整車動(dòng)力學(xué)模型是基于adams軟件進(jìn)行搭建，如圖8所示。包括車身模型、前懸架模型、后懸架模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型、車身模型、動(dòng)力總成模型和輪胎模型，如圖9，10所示。這里將整車模型考慮為柔性梁結(jié)構(gòu)，如圖11所示，同時(shí)副車架也要考慮柔性體，可精確反映實(shí)車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

4.3? ?路面模型

根據(jù)不同試驗(yàn)場(chǎng)道路工況，綜合考慮數(shù)據(jù)精度與數(shù)字化成本，可以選擇激光掃描建?；蛉斯とS繪制建模的方法進(jìn)行路面數(shù)字化過(guò)程。最后得到適用于MSC.Adams仿真分析的試驗(yàn)場(chǎng)虛擬數(shù)字路面[6]。

本文基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的路面模型，主要通過(guò)應(yīng)用 3D激光測(cè)量系統(tǒng)掃描路面，將復(fù)雜的耐久路面進(jìn)行復(fù)制，從而逆向建立路面模型。路面掃描設(shè)備掃描并處理的路面文件如下，如圖12所示：

路面文件需處理成適用于MSC.Adams仿真分析的試驗(yàn)場(chǎng)虛擬數(shù)字路面，通常為*.rdf或*.crg格式的文件。

CRG格式的路面文件通過(guò)MATLAB編程進(jìn)行展示和修改；數(shù)據(jù)部分采用二進(jìn)制保存，以減少文件大?。恢С之?dāng)前主流動(dòng)力學(xué)軟件：MSC.ADAMS，Car Sim，LMS Virtual Lab；同時(shí)該格式的文件還適合激光路面數(shù)據(jù)的保存；以子塊的方式動(dòng)態(tài)導(dǎo)入程序中，導(dǎo)入一塊算一塊，便于節(jié)省內(nèi)存，提高計(jì)算效率[7，8]。

5? ? VPG載荷分解

進(jìn)行上述每個(gè)工況下的整車仿真，輸出零部件考察點(diǎn)的載荷譜，并對(duì)分解的載荷譜進(jìn)行準(zhǔn)確性評(píng)估。頻率域分析可以從自功率譜密度函數(shù)體現(xiàn)各種頻率成分能量的強(qiáng)弱。功率譜密度分析實(shí)質(zhì)上是通過(guò)功率有限信號(hào)均方根的譜密度來(lái)描述信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)[11]。

信號(hào)的功率譜需對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，

式1中，自相關(guān)函數(shù)Rx（τ→∞）=0，X（t）是零均值的各態(tài)經(jīng)歷過(guò)程函數(shù)（μx=0），這時(shí)自相關(guān)函數(shù)可以滿足傅里葉變換條件，即：

式中Sx（ f ）就是X（t）的自功率譜密度函數(shù)。

分析每個(gè)工況頻域特性，通過(guò)檢查頻域信號(hào)是否有異常峰值判斷數(shù)據(jù)的合理性。下圖13位輪心處的x、y、z三個(gè)方向的時(shí)域轉(zhuǎn)頻域譜曲線。經(jīng)檢查無(wú)異常情況后，分解輪心以上傳遞路徑的零部件載荷譜。

同時(shí)還以扭曲路和鵝卵石為例，對(duì)比輪心處的時(shí)域譜分析與試驗(yàn)對(duì)比，并驗(yàn)證輸入及輪胎模型是否有異常，如下圖14～16所示。

6? ? CAE強(qiáng)度疲勞分析及臺(tái)架驗(yàn)證

在虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭側(cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真完成之后將仿真計(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)作為目標(biāo)部件有限元模型的邊界載荷條件為疲勞損傷計(jì)算創(chuàng)造條件[9，10]。并采用極限工況分解后的載荷對(duì)前懸架核心部件如上下控制臂進(jìn)行CAE分析，同時(shí)進(jìn)行多輪次的分析及優(yōu)化，直至分析合格，如下圖17-22所示。強(qiáng)度分析合格后在進(jìn)行基于VPG的控制臂結(jié)構(gòu)的疲勞工況分析。優(yōu)化分析后得到最優(yōu)化的上下控制臂結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)VPG分解的懸架各零部件的載荷力譜，進(jìn)行基于載荷譜的懸架四通道（加載力分別為側(cè)向力、縱向力、垂向力和減振器作用力）試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架驗(yàn)證，驗(yàn)證的懸架部件包括上控制臂、下控制臂、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向機(jī)、和轉(zhuǎn)向節(jié)。四通道加載力為VPG分解的壓縮載荷譜，臺(tái)架試驗(yàn)等效懸架系統(tǒng)36萬(wàn)km，零部件等效100萬(wàn)公里無(wú)損壞。

7? ? 路譜采集與VPG分解力對(duì)比

通過(guò)VPG仿真的輪心六分力和懸架系統(tǒng)零部件的載荷譜與實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)采集譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)，略有差別，下圖24列舉扭曲路和坑洼路的輪心位移和減振器塔頂載荷對(duì)比情況。

同時(shí)也進(jìn)行了不同測(cè)量點(diǎn)的仿真值和測(cè)試值的RMS的比值，如表3。對(duì)比表明，實(shí)譜與虛譜一致性較好，可用于虛擬譜的臺(tái)架加載輸入和強(qiáng)度耐久分析。

8? ? 結(jié)論

本文通過(guò)VPG技術(shù)提升了懸架系統(tǒng)耐久仿真的精度和基于用戶場(chǎng)景工況定義的適用性，同時(shí)減少了整車耐久驗(yàn)證的輪次，降低了路試驗(yàn)證成本。

雖然VPG仿真方法和精度較比傳統(tǒng)的強(qiáng)度工況和虛擬迭代方式更加合理，但是后續(xù)還需做以下方面的研究工作：

1）在多提動(dòng)力學(xué)模型中采用的是臺(tái)架特性的減振器外特性輸入，未考慮減振器內(nèi)特性模型，后續(xù)研究建立基于內(nèi)特性的減振器模型，更加適用于高頻振動(dòng)的精度提升；

2）動(dòng)力學(xué)模型中襯套模型為解耦后的外特性模型，后續(xù)研究采用試驗(yàn)辨識(shí)的襯套模型，對(duì)于振動(dòng)的不同頻率和振幅的輸入精度應(yīng)更高；

總之VPG 技術(shù)的應(yīng)用使懸架系統(tǒng)耐久開(kāi)發(fā)更加合理、快捷和準(zhǔn)確。

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林明世

畢業(yè)于對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，工商管理碩士，現(xiàn)就職于吉利商用車集團(tuán)有限公司，任集團(tuán)副總裁，全新智能LCV產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目第一負(fù)責(zé)人，已發(fā)表論文多篇，申報(bào)專利128項(xiàng)，曾獲省級(jí)科技成果轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

專家推薦語(yǔ)

王? ?坤

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

整車技術(shù)部副總工程師? 高級(jí)工程師

本論文介紹了一種基于VPG技術(shù)的輕型商用車懸架系統(tǒng)核心零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程性方法。文章詳細(xì)的介紹了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久試驗(yàn)工況，用戶模型及分析工況、分析流程 、模型的構(gòu)建、VPG載荷的分解以及基于分解的載荷對(duì)懸架系統(tǒng)核心零部件上、下控制臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞的優(yōu)化仿真分析。本文內(nèi)容對(duì)于研究及運(yùn)用此方法的讀者，具有一定的開(kāi)發(fā)借鑒和學(xué)習(xí)價(jià)值，同時(shí)具有公開(kāi)發(fā)表的價(jià)值。