基于虛擬試驗(yàn)臺的駕駛室邊界載荷譜研究

鞠道杰，肖 攀，于人杰，鄭國峰

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶市汽車底盤性能工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

商用車由于使用環(huán)境較為惡劣，在市場上反映出來的質(zhì)量問題也較多，其中駕駛室開裂問題尤為突出。因此，在汽車產(chǎn)品研發(fā)過程中，駕駛室作為商用車幾大總成中的重點(diǎn)研究對象之一，其結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能研究越來越受到重視，而駕駛室疲勞壽命分析的關(guān)鍵輸入則是各接口點(diǎn)載荷譜［1-2］。

對于獲取零部件邊界載荷譜的研究，目前主要通過以下方法開展：運(yùn)用虛擬試驗(yàn)場技術(shù)獲取載荷邊界條件、基于六分力實(shí)測信號直接加載約束車身的方法獲取載荷邊界條件、運(yùn)用物理臺架進(jìn)行迭代分析載荷邊界條件，直接驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性。

基于虛擬試驗(yàn)場技術(shù)的載荷分解，不僅需要通過道路掃描建立高精度的三維數(shù)字路面，還需建立精確的帶輪胎、懸架的整車多體動力學(xué)模型，讓其在虛擬試驗(yàn)場進(jìn)行循環(huán)仿真，從而提取關(guān)鍵部件接口點(diǎn)的載荷譜。榮兵等［3］、Sridhar等［4］對該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述及應(yīng)用研究，在前期路面掃描及重構(gòu)、輪胎測試及參數(shù)辨識等方面投入大量時間成本及人力成本，目前在乘用車上得到應(yīng)用，但在商用車領(lǐng)域還未得到較好應(yīng)用。

基于六分力獲取載荷的方法將試驗(yàn)場采集到的六分力信號直接加載到整車軸頭位置，通過采集到的試驗(yàn)信號激勵模型獲取載荷譜［5］。該方法為了使六分力信號直接加載于多體模型順利仿真，需要進(jìn)行車身約束或用剛度較小的彈簧約束車身，與實(shí)際車身工作狀態(tài)無約束有些出入［6］，因此利用該技術(shù)手段分解獲取的載荷較實(shí)際偏大。

基于物理臺架分析零部件邊界載荷譜的方法首先對物理樣車進(jìn)行試驗(yàn)場載荷譜采集及數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)物理樣車進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)開展物理臺架迭代分析。該方法可適用于后期產(chǎn)品驗(yàn)證階段，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用該方法將大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)輪次及成本，因此還需將CAE分析技術(shù)引入產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，以便縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

目前，大多數(shù)企業(yè)運(yùn)用CAE技術(shù)對零部件載荷譜的研究都是基于整車多體動力學(xué)模型開展［7］。在建立整車多體動力學(xué)模型時，不僅需要準(zhǔn)確的硬點(diǎn)坐標(biāo)、彈簧剛度、襯套剛度、阻尼曲線等彈性元件參數(shù)，各零部件的質(zhì)心、質(zhì)量及慣量對模型精度也有較大影響。對于商用車來說，整車級別多體動力學(xué)模型涉及參數(shù)較多，而往往主機(jī)廠也無法提供全部建模所需參數(shù)。由于本身物理結(jié)構(gòu)非線性度高，載荷傳遞路徑復(fù)雜，因此，對于駕駛室載荷譜的研究，建立整車級別多體動力學(xué)模型就顯得不適，而且路面激勵至駕駛室傳遞路徑較遠(yuǎn)，若整車模型中懸架系統(tǒng)建模不精確，整車簧下質(zhì)量、慣量不夠準(zhǔn)確，則最終基于整車模型的載荷分解會使得駕駛室邊界載荷譜有較大誤差［8］。因此，本文中基于零部件虛擬試驗(yàn)臺的思想進(jìn)行駕駛室載荷譜研究，技術(shù)路線如圖1所示。該方式參考物理臺架迭代分析的方法，建立所關(guān)心駕駛室結(jié)構(gòu)區(qū)域的多體動力學(xué)模型，將虛擬試驗(yàn)臺與實(shí)測路試信號相結(jié)合，通過等效迭代復(fù)現(xiàn)的技術(shù)手段模擬駕駛室的物理臺架迭代過程，繼而分解獲取駕駛室邊界載荷譜。

圖1 技術(shù)路線框圖

1 虛擬試驗(yàn)臺迭代原理

虛擬試驗(yàn)臺迭代原理同物理臺架迭代原理一致，都是通過遠(yuǎn)程參數(shù)控制RPC（remote parameter control）技術(shù)來模擬試驗(yàn)部件在道路上的實(shí)際使用載荷［9］。臺架迭代的本質(zhì)是已知系統(tǒng)及輸出求輸入的逆問題。根據(jù)試驗(yàn)場采集內(nèi)部響應(yīng)信號及系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，迭代獲取系統(tǒng)外界等效臺架位移激勵，最后運(yùn)用該等效激勵驅(qū)動試驗(yàn)臺，分解獲取目標(biāo)部件邊界載荷譜［10］。迭代原理如圖2所示。

圖2 迭代原理框圖

創(chuàng)建白噪聲信號unoise（t），驅(qū)動系統(tǒng)獲取白噪聲響應(yīng)信號ynoise（t），通過輸入及輸出進(jìn)行系統(tǒng)識別 G（s）：

結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測信號yDesired（t）及系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù) G-1（s），迭代獲取系統(tǒng)第1次等效激勵 u1（t）為

將第1次等效激勵u1（t）用來驅(qū)動系統(tǒng)，獲得系統(tǒng)第1次響應(yīng) y1（t）為

由于實(shí)際物理樣車系統(tǒng)G0（s）存在較高的非線性，與基于虛擬試驗(yàn)臺計(jì)算獲取的系統(tǒng)傳遞函數(shù)會有一定誤差，因此系統(tǒng)第1次響應(yīng)信號y1（t）與試驗(yàn)實(shí)測信號yDesired（t）也會有一定誤差：

此時，需反復(fù)進(jìn)行迭代修正外界驅(qū)動信號，通過對比響應(yīng)信號與試驗(yàn)實(shí)測信號來不斷修正參數(shù)因子α，直到二者滿足迭代精度要求為止。

式中：un+1（t）為第 n+1次驅(qū)動信號；un（t）為第n次驅(qū)動信號；yn（t）為第n次響應(yīng)信號。

2 駕駛室-車架虛擬試驗(yàn)臺

2.1 車架模型處理

路面激勵經(jīng)車輪及板簧懸架傳遞給車架，車架再將激勵經(jīng)駕駛室懸置系統(tǒng)傳遞給駕駛室，因此，在單獨(dú)研究駕駛室邊界載荷譜時，將車架一并考慮在內(nèi)作為駕駛室等效激勵輸入的載體。為更好地描述駕駛室-車架虛擬臺架模型，考慮車架大變形及剛度影響等因素，將車架進(jìn)行柔性化處理能更精確地反映駕駛室的動態(tài)響應(yīng)過程。該型商用車駕駛室采用四點(diǎn)全浮式懸置系統(tǒng)支撐在車架前段，對于駕駛室懸置系統(tǒng)最直接的激勵就是車架前段。為了建模的簡便性，將車架進(jìn)行分段處理，以傳動軸支撐橫梁為界對車架進(jìn)行分割處理，耦合分割后的所有節(jié)點(diǎn)，以保證分割后車架前段剛度變化不大，如圖3所示。采用模態(tài)綜合疊加法對半車架有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，生成MNF文件用于柔性體建模。關(guān)于車架有限元建模及模態(tài)分析在此不贅述。

圖3 半車架有限元模型示意圖

2.2 虛擬臺架模型

依據(jù)實(shí)車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行部件創(chuàng)建與拓?fù)潢P(guān)系連接。其中，硬點(diǎn)參數(shù)通過整車數(shù)模測量獲取，并以集中質(zhì)量代替駕駛室，將駕駛室質(zhì)心位置、駕駛室含試驗(yàn)配載狀態(tài)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量賦予該質(zhì)量剛體。除此之外，懸置系統(tǒng)中彈性元件的剛度及阻尼特性將決定模型的非線性度，直接影響虛擬臺架精確程度，因此通過如圖4所示振動臺分別對各彈性元件進(jìn)行剛度測試，并將試驗(yàn)獲取的剛度曲線應(yīng)用于所建虛擬臺架模型中。在應(yīng)用各彈性元件曲線及創(chuàng)建等效位移激勵時，應(yīng)遵循各元件在整車坐標(biāo)系中的方向。

圖4 襯套剛度試驗(yàn)振動臺

在車架板簧吊耳及卷耳位置分別施加4個Z方向隨機(jī)位移激勵作動器，模擬駕駛室垂向、俯仰及側(cè)傾受力特性。在車架縱向第一橫梁處，施加1個X方向隨機(jī)位移激勵，模擬駕駛室縱向沖擊（加速及制動等）受力特性。在車架同側(cè)位置施加2個Y方向隨機(jī)位移激勵，模擬駕駛室橫向及橫擺受力特性，最終搭建形成商用車駕駛室-車架剛?cè)狁詈咸摂M臺架模型［11］，如圖5所示。將虛擬臺架進(jìn)行靜平衡分析，調(diào)整彈簧預(yù)載至設(shè)計(jì)值。

圖5 駕駛室-車架剛?cè)崽摂M臺架模型示意圖

3 實(shí)車信號采集及數(shù)據(jù)處理

3.1 信號采集

駕駛室實(shí)車路譜采集選擇在國內(nèi)某試驗(yàn)場強(qiáng)化耐久試驗(yàn)道路進(jìn)行。采集路面包括搓板路、扭曲路、小圓凸起路、魚鱗坑、比利時等典型耐久強(qiáng)化路面。

為在虛擬臺架中對迭代信號進(jìn)行對標(biāo)分析，在駕駛室懸置系統(tǒng)主被動端分別布置1個三向加速度傳感器，駕駛室地板及車頂各布置1個三向加速度傳感器，懸置主被動端間各布置1個拉線位移傳感器，傳感器布置示意圖如圖6。布置傳感器時，加速度傳感器嚴(yán)格參考整車坐標(biāo)系，拉線位移傳感器要求與彈簧平行安裝，主要采集通道如表1所示。

圖6 傳感器布置示意圖

表1 主要采集通道

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 載荷譜預(yù)處理

為便于后續(xù)針對單個強(qiáng)化路面下駕駛室載荷譜研究，需對載荷譜進(jìn)行路面分割。

需特別指出的是，采譜過程中，在某些路面工況下商用車試驗(yàn)車速較低，要同時兼顧前后軸車輪均駛出測試路面進(jìn)行工況分割，如圖7所示。在實(shí)際路試試驗(yàn)過程中，難免會出現(xiàn)外界干擾等影響，導(dǎo)致采集信號的失真、干擾等現(xiàn)象，這些錯誤成分將影響迭代時的收斂性，因此需要對采集信號進(jìn)行預(yù)處理，以減小干擾信號對后續(xù)結(jié)果的影響，包括對采集信號進(jìn)行去毛刺、去除信號趨勢項(xiàng)、修正信號漂移、信號平穩(wěn)性檢測等［12］。

圖7 路面工況分割示意圖

在試驗(yàn)過程中，為復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)路譜激勵的幅值，選擇較高的采樣頻率1 024 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在疲勞分析中，主要考察中低頻路面，依據(jù)采樣定理，采樣頻率大于2倍基頻時就能滿足采樣要求。但是，疲勞分析中所關(guān)注的是時域信號的波峰與波谷，若采用2倍基頻進(jìn)行重采樣時仍無法描述載荷譜的波峰與波谷，對后續(xù)疲勞壽命分析將有影響，因此需要提高重采樣頻率。選擇軟件分析中運(yùn)用較為廣泛且可以全覆蓋路面2倍基頻的頻率256 Hz進(jìn)行重采樣。

3.2.2 載荷譜樣本篩選及等效

試驗(yàn)場耐久路試是對特定工況的多次循環(huán)，而載荷譜采集僅能采集有限的樣本量。為使后期分析利用的樣本數(shù)據(jù)更具代表性，通常采用Rossow抽樣原則（50%存活率）進(jìn)行相應(yīng)的樣本篩選，確保每一路況都包含唯一路譜數(shù)據(jù)［13］。對路譜預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，獲得樣本篩選數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合企業(yè)制定各疲勞耐久路面的循環(huán)數(shù)，確定目標(biāo)總損傷。根據(jù)總損傷等效的原則，選取一些典型損傷路面進(jìn)行路面重組，確定特征路面及其等效循環(huán)次數(shù)。損傷計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 等效損傷計(jì)算流程框圖

4 載荷譜分解

迭代響應(yīng)信號應(yīng)對加載輸入激勵比較敏感，這樣有利于提高信號的信噪比，提高迭代收斂性。結(jié)合駕駛室-車架剛?cè)狁詈咸摂M臺架模型與試驗(yàn)實(shí)測信號，選擇相關(guān)性較高的Z向加速度及懸置彈簧位移為目標(biāo)信號，其余通道為監(jiān)測信號。在迭代過程中，不僅要保證目標(biāo)信號的精度，同時應(yīng)兼顧監(jiān)測信號的精度。以小圓凸起路為例，其他路面工況迭代方式與該路面相似，在此不贅述。

關(guān)于迭代評價，目前主要集中在時域、頻域以及相對損傷值上。時域與頻域主要是宏觀直接比較仿真值與實(shí)測值曲線的趨勢、峰值及相位的吻合程度，若二者差別較大，應(yīng)繼續(xù)迭代［14］。圖9～12為經(jīng)過9次迭代后，在時域內(nèi)的目標(biāo)信號與監(jiān)測信號仿真值與實(shí)測值。通過局部放大圖對比可知，二者在曲線峰值、趨勢及相位上精度大于90%。經(jīng)頻域轉(zhuǎn)換后，二者同樣具有相同頻域成分，精度也大于90%。圖13為第9次迭代后響應(yīng)信號與實(shí)測信號相對損傷值。從圖中可知，各通道的相對損傷值都在1左右，滿足0.5～2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［15］。迭代精度滿足要求，從而可以提取車架等效7通道位移激勵。

圖9 前左位移仿真值與實(shí)測值

圖10 車架Z向加速度仿真值與實(shí)測值

圖11 車身X向加速度仿真值與實(shí)測值

圖12 車身Y向加速度仿真值與實(shí)測值

圖13 第9次迭代后相對損傷值

通過分析可知：在進(jìn)行到第9次迭代后，此時的迭代激勵即虛擬位移激勵等效于小圓凸起路面工況下路面經(jīng)整車懸架后對車架的激勵，該位移激勵能夠復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場下路面對車架的激勵信息，使得仿真值與實(shí)測值對標(biāo)精度較高，因此將迭代獲取的位移信號作為虛擬試驗(yàn)臺輸入激勵，進(jìn)行多體仿真分析。提取駕駛室4個接口點(diǎn)的載荷譜，共計(jì)24個載荷譜信息，前左點(diǎn)邊界載荷譜如圖14、15所示。

圖14 駕駛室前左接口點(diǎn)三向力載荷譜

圖15 駕駛室前左接口點(diǎn)三向力矩載荷譜

5 結(jié)論

為避免或減小由模型復(fù)雜及傳遞路徑較遠(yuǎn)引起駕駛室邊界載荷譜分析結(jié)果誤差，參考駕駛室物理臺架，提出一種基于虛擬試驗(yàn)臺的方法。選擇駕駛室局部結(jié)構(gòu)，搭建駕駛室-車架剛?cè)崽摂M試驗(yàn)臺架模型，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)場采集懸置加速度信號及位移信號進(jìn)行虛擬臺架迭代分析，并從時域、頻域以及相對損傷值對迭代精度進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，該方法可有效對標(biāo)駕駛室實(shí)際工作狀態(tài)，獲取的駕駛室邊界載荷譜可準(zhǔn)確反映駕駛室實(shí)際工作受力狀態(tài)，能支撐后續(xù)駕駛室疲勞壽命分析。對于整車其他零部件邊界載荷譜的研究，同樣可參考物理臺架模型，建立所關(guān)心結(jié)構(gòu)局部虛擬試驗(yàn)臺，將CAE分析技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品開發(fā)中，提高分析時效性，為后續(xù)零部件結(jié)構(gòu)耐久分析提供滿足實(shí)際情況的邊界載荷條件。