非承載式車身道路載荷譜預(yù)測方法研究

1、 基于Virtual.Lab Motion的非承載式車身道路載荷譜預(yù)測方法研究【摘要】：道路譜的動態(tài)載荷是分析底盤件及車身連接點疲勞的關(guān)鍵輸入。為了準(zhǔn)確獲取部件的動態(tài)載荷，首先需要采集試驗場路譜信號，然后利用Virtual.Lab Motion創(chuàng)建帶有整體式車架的整車剛?cè)狁詈隙囿w模型，通過MotionTWR虛擬迭代的方式得到軸頭位移驅(qū)動信號，進(jìn)而分解獲得懸架接附點動態(tài)載荷譜，并在數(shù)據(jù)處理軟件Tecware中對比載荷預(yù)測的結(jié)果，從而為車架的疲勞分析提供準(zhǔn)確的動態(tài)載荷輸入。本文對整體式車架的動態(tài)載荷進(jìn)行了預(yù)測分析和研究，車架疲勞仿真結(jié)果再現(xiàn)了耐久路試的危險區(qū)域，證明了該載荷譜分析方法的準(zhǔn)確性?！娟P(guān)

2、鍵詞】：載荷譜多體模型虛擬迭代疲勞分析Research on the method of load spectrum prediction with unitized vehicle body based on Virtual.Lab MotionAbstract: The dynamic load spectrum is the key input to analyze the fatigue of chassis and the joint of vehicle body.In order to obtain the dynamic load of the component accura

3、tely, it is necessary to collect the road spectrum signal of the test vehicle first, and then create the rigid-flexible coupling multi-body whole vehicle model with integral frame by Virtual.Lab Motion. Through virtual iterative way to get spindle displacement signal by Motion TWR, and then get the

4、dynamic load spectrum of suspension joints. The dynamic load spectrum are compared with the test data by Tecware, so as to provide dynamic load spectrum input for vehicle frame fatigue analysis. In this paper, the dynamic load of the integral frame is predicted, analyzed and studied. The result of f

5、atigue simulation of the frame reproduced the dangerous area of the durability road test, which proved the accuracy of the load spectrum analysis method.Keywords: load spectrum, multi-body model, virtual iterative, fatigue analysis目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc16760660 1.前言 PAGEREF _Toc1676066

6、0 h 4 HYPERLINK l _Toc16760661 2.道路載荷譜采集 PAGEREF _Toc16760661 h 5 HYPERLINK l _Toc16760662 3.整車建模與對標(biāo) PAGEREF _Toc16760662 h 6 HYPERLINK l _Toc16760663 3.1.整車建模 PAGEREF _Toc16760663 h 8 HYPERLINK l _Toc16760664 3.2.車架柔性化建模 PAGEREF _Toc16760664 h 9 HYPERLINK l _Toc16760665 3.3.模型對標(biāo) PAGEREF _Toc1676066

7、5 h 10 HYPERLINK l _Toc16760666 4.載荷迭代與分解 PAGEREF _Toc16760666 h 11 HYPERLINK l _Toc16760667 4.1.虛擬迭代原理 PAGEREF _Toc16760667 h 11 HYPERLINK l _Toc16760668 4.2.典型路面虛擬迭代聯(lián)合仿真 PAGEREF _Toc16760668 h 12 HYPERLINK l _Toc16760669 4.3.3.3載荷分解 PAGEREF _Toc16760669 h 15 HYPERLINK l _Toc16760670 5.疲勞耐久分析 PAGER

8、EF _Toc16760670 h 16 HYPERLINK l _Toc16760671 6.結(jié)論 PAGEREF _Toc16760671 h 16前言道路載荷分解是從整車系統(tǒng)載荷到零部件載荷的主要途徑，這些載荷包括底盤系統(tǒng)部件的約束載荷和車身連接處的載荷，載荷數(shù)據(jù)提供給CAE分析部門使得在早期設(shè)計階段進(jìn)行合理的疲勞分析成為可能。載荷可分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，由于靜態(tài)載荷比較單一，與道路耐久規(guī)范關(guān)聯(lián)性不明確，單純依靠靜載荷分析的方式不能完全滿足整車及零部件的開發(fā)需求， 這就需要有與實際道路工況相匹配的動態(tài)載荷輸入，既可以用來檢驗已有設(shè)計是否合格，又為結(jié)構(gòu)的修改和優(yōu)化設(shè)計提供客觀依據(jù)。動態(tài)載

9、荷譜分解一般采用驅(qū)動整車多體動力學(xué)模型來實現(xiàn)，而驅(qū)動信號有多種，如果采用直接測量路面不平度的數(shù)字道路方法費(fèi)用昂貴；另一方面， 基于實車道路采集的輪心六分力又不適合直接用于疲勞載荷分析?；赩irtual.LabMotion平臺可以實現(xiàn)多體動力學(xué)整車建模，道路載荷譜迭代，動態(tài)載荷譜分解等整個流程， 如圖1所示。本文中的車架連接了非承載式車身和懸架結(jié)構(gòu)件，其本身重量及承載均較大，設(shè)計時對其疲勞耐久性有較高的要求。文中建模時對整體式車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了柔性化處理，在施加動態(tài)載荷時考慮了柔性化變形以更加符合實車狀態(tài)，最終分解的載荷施加到車架有限元模型上分析疲勞風(fēng)險區(qū)域并與實車道路試驗作對比。路譜采集及數(shù)據(jù)處

10、理圖1道路載荷譜分解流程多體模型建立載荷虛擬迭代載荷分解計算道路載荷譜采集根據(jù)道路耐久規(guī)范，采集的道路譜包括試驗空載和滿載兩種狀態(tài)下，包括六分力在內(nèi)的力、加速度、位移等多種工況的時域曲線數(shù)據(jù)，具體如下表所示。其中選擇輪心六分力中的垂向力作為虛擬迭代目標(biāo)信號，其他作為監(jiān)控信號。在獲取原始數(shù)據(jù)后,按照不同路面的特征對其進(jìn)行有效數(shù)據(jù)段的截斷，還要進(jìn)行濾波、重采樣，去除毛刺、糾正漂移、檢查頻譜相位等方面的處理。路譜數(shù)據(jù)測點測試信號數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理圖2 道路譜數(shù)據(jù)采集及處理流程整車建模與對標(biāo)整車包括了以下幾個子系統(tǒng)：前雙橫臂式獨(dú)立懸架；后五連桿式非獨(dú)立懸架；前、后穩(wěn)定桿子機(jī)構(gòu)；齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子機(jī)構(gòu)；車身

11、、車架子機(jī)構(gòu)；前、后輪胎和車輪子機(jī)構(gòu)；試驗臺子機(jī)構(gòu)。建模之前得到懸架底盤件以及整車的參數(shù)，是整車建模的基礎(chǔ)，其中性能件的參數(shù)特別是彈性件的剛度，減振器阻尼等方面要求是實際測量的非線性數(shù)據(jù)。其中，比較特殊的一類是K& C試驗的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果用于仿真模型的對標(biāo)。圖3 建模及載荷分解所需輸入整車建模Driving Dynamics是基于Virtual.LabMotion主程序，提供懸架、轉(zhuǎn)向系、動力總成和整車建模分析模版的封裝起來的多體動力學(xué)仿真 軟 件 。 利 用 LMS Driving Dynamics軟件選擇前后懸架及各子系統(tǒng)的類型，然后通過修改每個系統(tǒng)中所關(guān)聯(lián)的表格及相應(yīng)設(shè)置，從而可以方便

12、地調(diào)用Virtual.Lab Motion模型數(shù)據(jù)庫，建立起完整的整車多體模型。穩(wěn)定桿采用了Beam梁單元的建模方式，過程中只需指定穩(wěn)定桿的類型，桿徑及穩(wěn)定桿襯套位置，并選取能代表穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)特征的若干中心點坐標(biāo)。圖4 整車建模計算過程圖5車架替換為柔性體裝配整車車架柔性化建模采用了整體式車架的結(jié)構(gòu)，車架通過懸置襯套與前、后懸架及車身連接，這些連接點都將成為剛?cè)狁詈系慕痈近c，也是最終載荷分解的輸出點。由于整體車架承載質(zhì)量較大，存在一定的變形，為了提高K&C對標(biāo)的精確度以及減小動態(tài)載荷分解的誤差，有必要對車架部分進(jìn)行柔性化處理。柔性體的建模一般采用有限元方法，引入子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法降低求解規(guī)模。其建

13、模流程如下所示，將車架剛體替換為含有模態(tài)結(jié)果文件的有限元模型，檢查無誤后即可完成剛?cè)狁詈险w動力學(xué)模型的建模。圖6柔性體建模流程圖7 整體式車架柔性體模型及其模態(tài)頻率模型對標(biāo)懸架的K&C對標(biāo)包含了懸架各向剛度等諸多方面的指標(biāo)，通過對懸架模型平行輪跳，反向輪跳，轉(zhuǎn)向工況，側(cè)向力，縱向力，回正力矩加載仿真等方面，將仿真結(jié)果與K&C臺架試驗處理后結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)，對應(yīng)的調(diào)節(jié)懸架各項參數(shù)，力求使對標(biāo)效果達(dá)到最好。下圖列出了平行輪跳過程的前懸架各向剛度的對標(biāo)過程，通過調(diào)整預(yù)載、緩沖塊位置和剛度及襯套剛度，使垂向剛度曲線、側(cè)向剛度對應(yīng)較好，縱向剛度有一定偏差可以接受。對標(biāo)的各向剛度和拐點位置的誤差在3.7%以

14、內(nèi)。后懸架的對標(biāo)與前懸架類似，對標(biāo)結(jié)果符合需求。圖8 前懸架垂向、側(cè)向、縱向剛度完成了前后懸架的性能的對標(biāo)，還需要對整車參數(shù)進(jìn)行對標(biāo)，這其中就包括了靜平衡狀態(tài)的輪荷。輸入整車的重心、慣量參數(shù)并添加約束，各個子機(jī)構(gòu)通過裝配成為整車模型。調(diào)整的過程是以模型中車身的重量和質(zhì)心位置為變量與實驗車輛輪荷進(jìn)行比較，靜平衡狀態(tài)的載荷對標(biāo)結(jié)果誤差控制在2%內(nèi)以滿足建模需求。如圖9可以看到在靜平衡仿真時載荷曲線會有起伏，TWR軟件為了消除仿真模型起始階段的不穩(wěn)定影響，需要進(jìn)行靜平衡和重啟動設(shè)置。圖9 模型靜平衡狀態(tài)輪荷輸出曲線載荷迭代與分解基于道路試驗測量的六分力，不適合直接加載到多體動力學(xué)模型：自由狀態(tài)模型會

15、出現(xiàn)漂移和旋轉(zhuǎn)的問題，約束車身會出現(xiàn)過約束造成載荷偏大。運(yùn)用虛擬迭代的方法，根據(jù)試車場路譜采集試驗的載荷和響應(yīng)，反算迭代出軸頭的垂向位移激勵，可以直接施加在不約束車身的多體動力學(xué)模型上。該方法避免使用復(fù)雜的輪胎、數(shù)字路面和駕駛員模型；基于新舊相似車型的同一道路上的路面不平度歷程一致性，能夠準(zhǔn)確預(yù)測新車型的疲勞載荷譜。利用Motion TWR進(jìn)行虛擬迭代仿真，將不同載荷狀態(tài)下各個路面通過迭代得到的軸頭垂向位移作為系統(tǒng)驅(qū)動信號，將輪心垂向力作為試驗?zāi)繕?biāo)信號，車身加速度及零部件的載荷等其他信號作為監(jiān)控。虛擬迭代原理虛擬迭代核心是時域波形復(fù)現(xiàn)技術(shù)（TWR, Time WaveformReplicati

16、on），本質(zhì)是一個非線性系統(tǒng)迭代求逆問題，可以通過已有的道路試驗?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)， 反求多體模型的輸入驅(qū)動位移信號即道路不平度激勵信息。一般情況下，迭代過程包括系統(tǒng)傳遞函數(shù)識別和載荷迭代兩個階段。由于傳遞函數(shù)是線性的，識別高度非線性的多體模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就需要通過迭代來實現(xiàn)，通過計算輸出值反復(fù)逐漸逼近實測值，最終得到相對準(zhǔn)確的載荷輸入，這就是虛擬迭代的過程。典型路面虛擬迭代聯(lián)合仿真按照耐久路試規(guī)范進(jìn)行實車道路譜信號采集，為了提高效率，計算各個路譜輪心垂向力的疲勞偽損傷和功率譜密度，僅比較路譜能量分布在中高低頻三個范圍選取有代表性的若干路面。以下列舉了仿真模型為滿載狀態(tài)下中等比利時路的載荷迭代，中等比

17、利時路為中頻路面，以垂向疲勞載荷為主，選取的有效路譜時長為45s。從圖10中可以看到迭代14次均方根誤差在3.2%-6.8%之間，小于10%的目標(biāo)誤差，并且通過累積損傷和迭代第一次與第14次的相關(guān)性分析曲線也印證了迭代的有效性。累積損傷和相關(guān)性曲線是比較的輸入與系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系， 累積損傷曲線重合度越高迭代效果越好；相關(guān)性曲線斜率越趨近1，線條越細(xì)直，說明迭代效果越好。10 迭代目標(biāo)的均方根誤差圖圖11 迭代目標(biāo)累積損傷及相關(guān)度曲線對比圖12-14是迭代目標(biāo)和監(jiān)控目標(biāo)的曲線的對比，其吻合度也比較高。模型中輸入的慣量、襯套數(shù)據(jù)不夠精確，動力總成部分沒有建模也會對結(jié)果造成影響。迭代目標(biāo)的頻域曲線

18、中25Hz以后引起的誤差主要是由于仿真中沒有建立輪胎、傳動系的引起。圖12左前迭代信號時域、頻域曲線對比圖13左前減振器塔頂加速度信號對比圖14 左前減振器下安裝座力信號對比3.3載荷分解中等比利時路載荷迭代結(jié)束后，將得到的軸頭垂向位移作為輪心的驅(qū)動信號，同時加載由六分力儀采集的其他方向的力和力矩，在模型中設(shè)置各個連接點的輸出載荷類型和通道，就可以在無約束車身的狀態(tài)下輸出懸架件連接點及車身車架接附點的動態(tài)載荷，從而得到每種載荷狀態(tài)下70個測量點，共420個通道的動態(tài)載荷。其他以垂向載荷為主的耐久路試工況，如越野路、比利時路、方坑、減速坎等工況，可以重復(fù)以上迭代輪心垂力并加載垂向位移激勵的方式分解道路譜載荷，同時對輸出的動態(tài)載荷譜進(jìn)行對標(biāo)以確認(rèn)是否滿足要求，以至完成所有的載荷譜分解。圖15是在中等比利時路工況下分解到的車身接附點的第二懸置左側(cè)6方向載荷譜。圖15車身接附點的懸置處載荷疲勞耐久分析使用車架的有限元模型，采用慣性釋放靜力學(xué)的分析方法輸入分解得到的載荷譜曲線，原則上每個接附點輸入6個方向的力和力矩，但為