基于虛擬迭代方法的后扭力梁載荷譜提取

龔春輝 葛文韜 段龍楊 王祖建

摘 要：建立了整車動力學(xué)模型，以試驗(yàn)場采集的輪心六分力為激勵信號，以實(shí)測軸頭加速度和彈簧位移為目標(biāo)信號，運(yùn)用虛擬迭代方法反求出輪胎接地點(diǎn)處的位移激勵，驅(qū)動整車模型進(jìn)行仿真分析，從時域、損傷域、幅值域和頻率域多方面對仿真輸出結(jié)果與實(shí)測信號進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明仿真結(jié)果與實(shí)測信號對標(biāo)良好，提取了后扭力梁連接點(diǎn)的載荷譜，為后期零部件的疲勞分析提供了輸入條件。

關(guān)鍵詞：整車動力學(xué)模型；輪心六分力；虛擬迭代；載荷譜

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-54-04

Abstract： The full vehicle model was built and wheel center six-component forces which has been acquired from proving ground are taken as excitation signal. The hub acceleration and spring displacement are taken as target signal. The displacement excitation of tire contact patch was back-calculated by applying virtual iteration method， the simulation analysis of full vehicle model was motived， and comparison analysis of simulation result and measurement signal were conducted from multi-aspects， including time domain， damage domain， amplitude domain and frequency domain， the analysis result has shown that simulation result and measurement signal were calibrated well. The load spectrum at interface points of rear twist beam has been extracted， which was used as the input of automobile parts fatigue analysis.

Keywords： full vehicle dynamic model； six-component force on wheel center； virtual iteration； load spectrum

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-54-04

引言

扭力梁后懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、便于拆裝、占據(jù)空間少以及簧下質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于A級及A0級轎車后懸系統(tǒng)中。后扭力梁是后懸架系統(tǒng)中重要的承載部件，需要承受路面通過輪胎、彈簧、限位塊及減振器等零部件傳遞的力和力矩，易發(fā)生疲勞失效[2]，因此很有必要在設(shè)計階段對后扭力梁進(jìn)行疲勞耐久驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的汽車零部件疲勞耐久性能評估方法是整車試驗(yàn)場道路耐久性試驗(yàn)，此方法雖然是最直接且有效的方法，但試驗(yàn)周期長且費(fèi)用高，如若出現(xiàn)疲勞失效問題，需重新進(jìn)行設(shè)計變更，并重新進(jìn)行道路試驗(yàn)。因此，國內(nèi)外各汽車廠商均采用計算機(jī)虛擬仿真分析方法對關(guān)鍵部件進(jìn)行疲勞分析，而疲勞分析的關(guān)鍵點(diǎn)在于此部件的連接點(diǎn)載荷的準(zhǔn)確性，但扭力梁受力情況復(fù)雜，其連接點(diǎn)載荷很難通過試驗(yàn)直接獲得，故只能通過采用基于多體動力學(xué)的方法來提取的扭力梁連接點(diǎn)的載荷譜[3]。

對于利用多體動力學(xué)方法提取載荷譜的方法，近年來研究的熱點(diǎn)是虛擬試驗(yàn)場技術(shù)，此技術(shù)有三項關(guān)鍵輸入條件：柔性輪胎模型、3D數(shù)字路面以及駕駛員控制模型[4]，柔性輪胎模型需通過輪胎與路面的摩擦特性試驗(yàn)、胎體變形等本體特性試驗(yàn)獲得；3D數(shù)字路面需應(yīng)用3D道路測量系統(tǒng)激光掃描路面，逆向建立路面模型；駕駛員模型需以試驗(yàn)采集的路面軌跡為目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)控制，整套技術(shù)的難度和成本投入巨大，因此目前本文采用虛擬迭代方法來提取后扭力梁連接點(diǎn)的載荷，通過采集樣車的輪心六分力、彈簧位移及軸頭加速度等信號作為目標(biāo)信號，反向推導(dǎo)輪胎接地點(diǎn)的位移激勵，用于驅(qū)動動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，回避了虛擬試驗(yàn)技術(shù)中的路面掃描建模、復(fù)雜輪胎和駕駛員模型等問題。

1 道路載荷譜采集及零件標(biāo)定

道路載荷譜采集是為了獲取車輛在路面不平度激勵下的各種響應(yīng)信號，信號一般包含力、力矩、加速度、應(yīng)變等，采用通道的分配情況如表1所示，圖1為輪心六分力測量，圖2為軸頭加速度測量，圖3為彈簧應(yīng)變測量，圖4為轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)變測量。采集工作在國內(nèi)某汽車試驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行，采集的重量狀態(tài)為半載和滿載，采集道路為強(qiáng)化路面與坡道，路面信息如表2所示。

彈簧的標(biāo)定使用力標(biāo)定法，如圖5所示，通過標(biāo)定獲得彈簧應(yīng)變與彈簧位移之間的線性關(guān)系，最終將彈簧的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成位移信號（以共振路2為例），如圖6所示。

2 整車多體動力學(xué)模型建立

零部件連接點(diǎn)處載荷的準(zhǔn)確性取決于多體動力學(xué)模型的精度，所以根據(jù)載荷譜采集的樣車建立其相應(yīng)的多體動力學(xué)模型就顯得尤為重要。因此，模型建立所需的相關(guān)參數(shù)輸入需進(jìn)行實(shí)測并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，圖7實(shí)線為下擺臂前襯套徑向剛度實(shí)測數(shù)據(jù)，由于測試時的范圍達(dá)不到車輛在惡劣工況下的襯套工作范圍，剛度曲線還需要進(jìn)行相應(yīng)的擬合延伸，如圖7虛線所示。

本文所分析的車型采用麥弗遜前懸架和扭力梁后懸架，驅(qū)動形式為前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動，后懸扭力梁在通過強(qiáng)化壞路時會發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，故對其進(jìn)行了柔性化處理，運(yùn)用模態(tài)綜合法[5]，利用有限元軟件計算得到包括模態(tài)信息的扭力梁中性文件，利用模態(tài)中性文件完成對扭力梁的柔性化處理，從而建立如圖8所示的整車多體動力學(xué)模型。

為驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，將前后懸架模型的K&C仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，前懸架垂向剛度、側(cè)向剛度及縱向剛度的對比如圖9所示，后懸架垂向剛度、側(cè)向剛度及縱向剛度的對比如圖10所示，模型仿真數(shù)據(jù)與測試結(jié)果吻合度很高，模型能夠支持下步虛擬迭代及載荷提取。

3 虛擬迭代及載荷提取

3.1 虛擬迭代原理

虛擬迭代是以易測位置處的信號（如彈簧位移信號）作為目標(biāo)信號，通過計算整車模型的傳遞函數(shù)及其逆函數(shù)，反求得到其激勵信號，使得模型仿真結(jié)果接近載荷譜采集的目標(biāo)信號，其流程圖如圖11所示，主要步驟包括3個步驟[6]：

（a）測量獲得車輛在通過強(qiáng)化壞路的信號，其中彈簧位移及軸頭加速度作為迭代的目標(biāo)信號，輪心除垂向力外的其余五分力作為迭代的外加激勵信號；

（b）系統(tǒng)識別：此步驟主要是獲得整車動力學(xué)模型的傳遞函數(shù)，將噪聲信號u0（f）輸入整車動力學(xué)模型，得到相應(yīng)的輸出信號y0（f），傳遞函數(shù)F（f） = y0（f）/ u0（f）；

（c）虛擬迭代：利用傳遞函數(shù)逆函數(shù)和目標(biāo)信號，反求得到輪胎接地點(diǎn)處的位移激勵信號，在此位移激勵信號下得到仿真結(jié)果，與實(shí)測目標(biāo)信號進(jìn)行比較，進(jìn)行偏差修正和多次迭代，直到仿真結(jié)果和實(shí)測目標(biāo)信號達(dá)到收斂狀態(tài)。

虛擬迭代結(jié)果的判斷主要從時域、損傷域、幅值域和頻域等方面對測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，以比利時路面為例說明，圖12為左前彈簧位移的時域?qū)Ρ冉Y(jié)果，測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果趨勢完全一致且峰值相近，表3為虛擬迭代各通道測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的相對損傷計算結(jié)果，相對損傷值均在1.0附近，且從圖13可知損傷值分布也很一致，表明測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果在損傷域完全一致。幅值域?qū)Ρ戎饕獜挠炅鞣植己痛┘売嫈?shù)兩個方面進(jìn)行對比分析，左前彈簧位移的雨流計數(shù)對比如圖14所示，穿級計數(shù)對比如圖15所示，可以看出測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果在幅值域完全一致。圖16為左前軸頭垂向加速度測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果在頻率域內(nèi)的對比，損傷大部分集中在0～40Hz范圍內(nèi)，信號吻合程度也非常高。綜上所述，通過對多體動力學(xué)模型進(jìn)行虛擬迭代，完全復(fù)現(xiàn)了車輛在通過強(qiáng)化壞路時的軸頭加速度和彈簧位移響應(yīng)，能夠支持載荷提取工作，后扭力梁與車身左側(cè)連接點(diǎn)的載荷譜如圖17所示。

4 結(jié)論

采集了試驗(yàn)場的道路載荷譜，創(chuàng)建了整車動力學(xué)模型，模型K&C仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對標(biāo)結(jié)果良好。運(yùn)用虛擬迭代方法，復(fù)現(xiàn)了車輛在通過各強(qiáng)化壞路的軸頭加速度和彈簧位移響應(yīng)，提取了后扭力梁連接點(diǎn)的載荷譜，為后期零部件的疲勞分析提供了輸入條件。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHAO L H， ZHENG S L， FENG J Z. Failure mode analysis of torsion beam rear suspension under service conditions[J].Enginee -ring Failure Analysis， 2014（36）：39-48.

[2] 戰(zhàn)楠，鄭福榮，高鵬飛，等.基于實(shí)測載荷譜的轎車后扭梁疲勞仿真研究[J].機(jī)械強(qiáng)度， 2015，37（5）：959-963.

[3] 宋亞偉，黃元毅.基于多體動力學(xué)模型的汽車底盤動態(tài)載荷分析[J]. 汽車技術(shù)， 2017（3）：12-18.

[4] Daeoh Kang， Seungjin Heo， Holyoung Kim. Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method for VPG Simulation [J].SAE，2009-01-0814.

[5] 馮海星，劉海立，張松波，等.模態(tài)綜合法在車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)計算中的應(yīng)用[J].汽車工程，2012，34（9）：811-815.

[6] Manfred Becker， Thomas Langthaler， Markus Olbrich， etc.The Hybrid Road Approach for Durability Loads Prediction. SAE， 2005- 01-0628.