基于虛擬迭代的下控制臂載荷提取及驗(yàn)證*

付似愚

(江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西 南昌 330200)

0 引 言

汽車(chē)底盤(pán)零部件的有限元疲勞耐久分析是初期驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可靠性的重要方法。利用CAE技術(shù)預(yù)測(cè)評(píng)估零部件疲勞壽命的方法[1-2]，比傳統(tǒng)的道路耐久試驗(yàn)?zāi)軌蚬?jié)省更多的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本，但零部件疲勞耐久性能分析所需要的激勵(lì)信號(hào)難以通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)得，因此正確地提取零部件的載荷對(duì)于開(kāi)展疲勞耐久分析來(lái)說(shuō)起到了關(guān)鍵作用。張薊領(lǐng)等[3]采用直接施加車(chē)輪軸頭載荷，通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法得出底盤(pán)零部件載荷；沈磊等[4]通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)模型，單獨(dú)對(duì)前、后懸架車(chē)輪進(jìn)行六分力加載，進(jìn)而獲取連接點(diǎn)載荷；鞠道杰等[5]基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)迭代獲取等效位移激勵(lì)的方法，進(jìn)一步分解獲取各工況的部件邊界載荷譜。

筆者以整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)耐久強(qiáng)化路面實(shí)測(cè)輪心六分力數(shù)據(jù)及關(guān)鍵位置信號(hào)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)測(cè)整車(chē)參數(shù)搭建的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用虛擬迭代的方法，提取試驗(yàn)場(chǎng)各強(qiáng)化路面工況下的下控制臂連接點(diǎn)時(shí)域載荷譜。并以此載荷譜作為激勵(lì)，運(yùn)用慣性釋放的有限元計(jì)算方法對(duì)下控制臂進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。

1 信號(hào)采集與處理

以某皮卡車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)型，前懸架為雙叉臂式獨(dú)立懸架，后懸架為縱置鋼板彈簧非獨(dú)立懸架。試驗(yàn)車(chē)輛為滿(mǎn)載狀態(tài)，與目標(biāo)車(chē)輛狀態(tài)保持一致，根據(jù)虛擬迭代提取下控制臂連接點(diǎn)載荷譜的技術(shù)要求，主要采集通道如表1所列。

表1 主要采集通道

此次實(shí)車(chē)路譜采集選取國(guó)內(nèi)某試驗(yàn)場(chǎng)耐久強(qiáng)化試驗(yàn)道路進(jìn)行，采集的路面主要包含長(zhǎng)波路、扭曲路、搓板路、共振路、短波路、比利時(shí)路等典型耐久強(qiáng)化路面，在采集過(guò)程中通過(guò)GPS設(shè)備監(jiān)測(cè)車(chē)輛行駛速度及行駛軌跡。

由于載荷譜存在一定的隨機(jī)性，為了保證采集信號(hào)的有效性及代表性，進(jìn)行三次采集循環(huán)測(cè)試，采集頻率選取1 024 Hz。在實(shí)際的采集過(guò)程中，難免會(huì)因?yàn)橥饨绺蓴_導(dǎo)致采集信號(hào)失真等現(xiàn)象，比如傳感器受溫度的影響，會(huì)造成信號(hào)的非正常變化；以及傳輸線(xiàn)路受到物理擠壓會(huì)造成信號(hào)的突變等，進(jìn)而影響后續(xù)虛擬迭代的精度。因此要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，首先對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行工況分割，如圖1所示；再對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換、去除毛刺、修正漂移以及濾波(去除電磁干擾)等，處理前后的信號(hào)對(duì)比如圖2所示，信號(hào)的預(yù)處理能夠減小由于采集誤差對(duì)于后續(xù)載荷提取及疲勞耐久分析結(jié)果的影響。

圖1 路面工況分割示意圖

圖2 信號(hào)對(duì)比

2 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

多體動(dòng)力學(xué)模型的精度直接影響虛擬迭代的準(zhǔn)確性，例如：簧上部件和簧下部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及襯套剛度及阻尼和減震器阻尼等都是載荷提取的影響因素。因此為了保證整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型與采集載荷譜的樣車(chē)狀態(tài)一致，在Adams/Car平臺(tái)搭建的整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)均由采集樣車(chē)實(shí)測(cè)獲得，部件的重量等參數(shù)處理如表2所列。

表2 部件物理參數(shù)整理

文中的皮卡整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型包含前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力總成、車(chē)架、駕駛室、貨箱、穩(wěn)定桿等子系統(tǒng)，駕駛室和貨箱需要分別建立子系統(tǒng)，并設(shè)置合理的與實(shí)車(chē)相符的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于車(chē)架是皮卡車(chē)型中的重要部件，同時(shí)也考慮到車(chē)架的變形及剛度等因素，因此需要在Adams中采用柔性體建模的方式，以反映出駕駛室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。在Hypermesh軟件中建立車(chē)架有限元模型，采用模態(tài)綜合疊加法[6]對(duì)車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析并生成MNF文件用于柔性體建模，在生成MNF文件之前，需要對(duì)車(chē)架的質(zhì)量、焊縫鏈接等信息進(jìn)行確認(rèn)，以保證生成的MNF文件的準(zhǔn)確性。最終，在Adams/Car的Standard Interface(標(biāo)準(zhǔn)界面)中將對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，如圖3所示。為驗(yàn)證建立的整車(chē)模型的準(zhǔn)確性，對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行靜平衡計(jì)算，靜平衡時(shí)的輪荷與實(shí)車(chē)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)建模參數(shù)的修正使得模型狀態(tài)與采集樣車(chē)狀態(tài)一致。

圖3 整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

3 下控制臂載荷譜分解與驗(yàn)證

3.1 虛擬迭代

虛擬迭代本質(zhì)是一種已知響應(yīng)反求激勵(lì)的方法，需要Femfat.lab軟件與Adams軟件聯(lián)合仿真，用容易測(cè)得的信號(hào)作為響應(yīng)信號(hào)，以白噪聲作為初始激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算整車(chē)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及逆函數(shù)，由于Adams建立的多體模型具有非線(xiàn)性，因此需要進(jìn)行反復(fù)迭代，最終求得能使仿真的內(nèi)部信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)接近的激勵(lì)信號(hào)，迭代流程如圖4所示。主要步驟在Femfat.lab中先以白噪聲為激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)整車(chē)模型從而得到響應(yīng)參量并求得整車(chē)模型的逆?zhèn)鬟f函數(shù)；再以實(shí)測(cè)六分力作為響應(yīng)，將仿真的結(jié)果與實(shí)測(cè)的軸頭加速度、懸架彈簧位移等信號(hào)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，根據(jù)逆?zhèn)鬟f函數(shù)計(jì)算得到初始的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即除輪心垂向力之外的五分力和輪心垂向位移。

圖4 虛擬迭代流程圖

關(guān)于虛擬迭代的評(píng)價(jià)，目前主要從響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域、頻域及相對(duì)損傷比三個(gè)方向來(lái)開(kāi)展，時(shí)域和頻域主要是可以對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的幅值、趨勢(shì)及相位進(jìn)行直接比較，如果仿真值與實(shí)測(cè)值結(jié)果相差較大，則需要繼續(xù)迭代。同時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的相對(duì)損傷值應(yīng)滿(mǎn)足0.5～2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以共振路工況為例，在經(jīng)歷了x次迭代后，將仿真和實(shí)測(cè)的軸頭加速度、懸架彈簧位移及各監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 仿真信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

通過(guò)放大局部的特征信號(hào)對(duì)比可以得知，迭代信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)在時(shí)域內(nèi)的幅值、趨勢(shì)及相位上誤差在10%以?xún)?nèi)。疲勞分析中的損傷大多集中在0～40 Hz的頻域范圍內(nèi)，因此在該頻段內(nèi)進(jìn)行仿真信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的功率譜密度對(duì)比，如圖6所示，在0～40 Hz內(nèi)，信號(hào)吻合程度高。圖7為迭代各通道的實(shí)測(cè)信號(hào)與迭代信號(hào)的相對(duì)損傷結(jié)果，相對(duì)損傷值均介于0.5～2之間。

圖6 仿真信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)頻域?qū)Ρ?/p>

圖7 仿真信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的相對(duì)損傷值

3.2 下控制臂載荷提取與驗(yàn)證

用迭代求解出的五分力與位移驅(qū)動(dòng)整車(chē)模型，提取下控制臂的三個(gè)連接點(diǎn)載荷譜，分別為下控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點(diǎn)與車(chē)架前后連接點(diǎn)。在Hypermesh軟件中對(duì)下控制臂進(jìn)行有限元建模，建立相應(yīng)的材料屬性，與實(shí)車(chē)下控制臂保持一致。為了減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象，通過(guò)采用一排相互垂直的四邊形網(wǎng)格單元模擬焊縫連接，其余連接點(diǎn)處采用RBE2剛性單元連接。在Hypermesh軟件中對(duì)下控制臂施加單位力和單位力矩，開(kāi)展單位載荷工況分析。再根據(jù)迭代的疲勞載荷，基于Ncode軟件對(duì)下控制臂開(kāi)展疲勞計(jì)算，疲勞仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)在道路耐久試驗(yàn)中的開(kāi)裂位置吻合，如圖8所示。后期經(jīng)整改，解決了該下控制臂的疲勞耐久失效問(wèn)題。

圖8 仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)耐久試驗(yàn)對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)車(chē)采集試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜，用實(shí)測(cè)獲得的參數(shù)在Adams軟件搭建整車(chē)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)Femfat.lab與Adams相結(jié)合，運(yùn)用虛擬迭代的方法，為準(zhǔn)確提取皮卡車(chē)下控制臂載荷譜奠定了基礎(chǔ)。利用Hypermesh與nCode軟件結(jié)合計(jì)算下控制臂的疲勞壽命。并將疲勞耐久仿真與耐久路試試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，成功復(fù)現(xiàn)了下控制臂的開(kāi)裂情況，證明了此方法的可行性和精確度，可以為汽車(chē)底盤(pán)零部件的疲勞耐久性能分析驗(yàn)證提供參考依據(jù)。