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汽车与公路设备 |
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基于实车试验数据的底盘零部件耐久性虚拟试验方法研究 |
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作者：陈栋华 王云 周鋐 |
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1 前言
所谓耐久性虚拟试验是指应用计算机仿真技术代替实车的外场试验和室内道路模拟试验，从而实现目标零部件疲劳寿命的数字化仿真计算。本文研究过程中，首先通过道路载荷谱试验获得车轮轮轴位置处的6分力信号和其它关键位置处的载荷谱信号，既为虚拟试验模型提供驱动信号，又为虚拟模型的验证提供试验数据。其次，建立整车的多刚体动力学仿真模型，并利用有限元方法将其关键零部件进行柔性化处理，获得刚柔耦合的整车虚拟试验模型，并结合试验数据验证模型的有效性与正确性。最后，以道路试验获得的轮轴六分力作为虚拟模型的驱动信号，完成虚拟模型的动力学仿真计算以获得关键零部件的边界载荷条件，结合其有限元模型和材料疲劳属性，最终完成其疲劳寿命的预估计算。通过本文的研究，实现了先进试验手段和现代CAE仿真技术的有机结合，从而大大缩短轿车开发过程中耐久性试验的周期和费用。
本文以同济大学汽车试验室与上海大众的合作课题为例，介绍如何在Virtual.lab平台上通过耐久性虚拟试验的方法实现轿车底盘关键零部件的疲劳寿命预估。
2 道路载荷谱采集试验
所谓实车道路载荷谱采集试验就是为了得到汽车在实际道路行驶中的载荷信息，在该车实际运用地区的公共道路或者试验场进行实车道路试验，以获取道路载荷谱。对于本课题而言，实车道路载荷谱采集试验是获得车辆特定道路上精确的载荷谱脚本的基础，是后续耐久性虚拟试验的基础和关键所在。
考虑到后期耐久性虚拟试验的需要，试车场道路试验时采集的信号包括4个车轮的轮轴6分力信号、悬架和车身关键位置的加速度信号、减振器的位移信号和车身对角线位移变形信号、前桥和后桥总成关键点处的应变信号、以及方向盘转角和力（转矩）信号等。轮轴6分力信号可以作为虚拟仿真模型的驱动信号；位移信号和加速度信号可以作为验证虚拟模型的目标信号；应变信号可以进一步计算疲劳损伤值，用来检验目标部件疲劳寿命仿真预测结果的准确性。试验车辆是一部装备齐全、经过磨合期后且车况良好的目标车。试验车辆加满汽油，并按照要求配重，试验所用到的主要仪器和设备见表1。测试系统框图如图1所示，试验装置和测量系统如图2所示。表1 试验仪器和设备
 
图1 测量系统图
图2 试验设备和数据采集系统
试验道路为上海大众试验场SVP强化路面，由专业驾驶员驾车完成一个循环的道路载荷采集试验。将采集得到的试验数据利用LMS.TecWare软件进行标定、消除奇异值、消除趋势项，以及进行统计分析和数据平稳性检验等，最终获得后续研究所需的有用数据。
3 整车耐久性虚拟试验模型的建立及其试验验证
关于虚拟试验模型的建立，涉及的核心问题包括以下3个方面：（1）建立基于Virtual.lab仿真环境的整车多刚体系统动力学模型，其中包括弹性橡胶元件的力学特性模拟；（2）建立用于疲劳寿命预测的关键零部件的精确有限元模型，并将多刚体仿真模型中的目标部件进行柔性化处理，以获得整车刚柔耦合多体虚拟模型；（3）对整车虚拟试验模型进行试验验证和改进，使其尽可能的反应目标车辆的动态特性。
3.1 整车刚柔混合虚拟试验模型的建立
建立底盘系统的多体动力学模型，除了各部件之间的运动学约束关系之外，还需要作用于各部件之间力学元件的特性和各部件的惯性参数。各部件的惯性参数可以由其CAD模型和材料属性决定。特别需要说明的是，准确描述悬架系统中的弹性力学元件，是建模的关键一步。建模过程中对减振器、螺旋弹簧、副车架橡胶衬套、动力总成悬置支撑等元件都根据试验实测数据进行了准确描述以模拟其非线性。
在建立整车系统的多体刚体动力学模型之后，可以将其中的目标部件进行柔性化处理，以建立刚柔混合的多体动力学仿真模型。首先，建立目标部件的有限元模型，并在边界约束点位置建立多点约束MPC单元；其次，对目标部件进行约束条件下的模态分析，以获取模态参数进而生成柔性体模型；最后，用含有上述模态结果的柔性体模型替换原来的刚体部件，即可得到刚柔耦合多体动力学模型。本文建立的刚柔耦合虚拟试验模型如图3所示。
图3 整车虚拟试验模型
3.2 虚拟试验模型的试验验证及改进
完成悬架系统刚柔耦合多体动力学建模之后，要对虚拟模型进行调试，以检查系统的自由度和约束状态。在完成模型调试的基础之上，要结合试验结果来进一步验证模型的准确性和有效性，并根据实验结果修正模型，以使仿真结果与试验结果具有较高的一致性。虚拟模型仿真边界条件设定如下：（1）设定车身固定不动；（2）副车架和后桥用有限元柔性化模型替换；（3）在4个轮轴处施加6分力信号（SVP）作为虚拟模型的边界输入。其中，副车架模态截止频率为400Hz，后桥模态截止频率为300Hz。
图4 轴头加速度信号仿真和试验结果对比
3.2.1 轴头加速度信号的仿真和试验结果对比
仿真过程中提取悬架系统4个轴头位置处的加速度响应信号，用于和试验结果作对比研究。其中，前悬架左右两侧轴头垂向加速度的仿真和试验结果对比如图4所示，两者的时域波形具有较高的一致性。此外，还对各个通道加速度信号的最大值、最小值、中值、标准差和均方根值等统计特性做了对比分析，以获得其定量的误差分析。具体的对比结果见表2，可以发现所有的相对误差均在30%之内，且对疲劳破坏影响最为严重的垂向加速度误差在10%之内。表2 各个通道加速度响应信号的仿真和试验结果对比
 3.2.2 减震器位移仿真结果和试验结果的对比研究
此外，仿真过程中还提取模型中减振器上下套筒的相对位移，与试验过程中采集得到的位移信号进行对比，其结果如图5所示。可以发现，两者的时域信号具有非常高的一致性。
图5 悬架系统减振器位移仿真和试验结果对比
综上所述，利用试验结果做目标信号，通过对虚拟试验模型的修正和调试，可以使悬架系统刚柔耦合多体动力学模型具有较高的准确性与有效性，为进一步的耐久性虚拟仿真试验创造了有利条件。
4 关键零部件疲劳寿命的仿真计算和结果分析
虚拟试验模型的刚柔耦合多体动力学仿真完成之后，将虚拟模型动力学计算得到的柔性体模型的模态参与因子函数提取出来，并分别赋给副车架和后桥的柔性体模型，得到包含边界载荷条件的目标部件有限元模型。
4.1 副车架和后桥疲劳寿命的仿真预估
考虑到目标部件属于中高疲劳寿命范围，应用S-N曲线预估疲劳寿命。根据副车架和后桥的材料属性分别设定其疲劳参数，以用于疲劳寿命仿真计算。本文采用应力-寿命法估算疲劳寿命，副车架的材料疲劳属性（应力比R=-1）设定如下：疲劳极限δE=80Mpa，对应的NE=107，拉伸极限和压缩极限分别为450Mpa和1250Mpa，S-N曲线的斜率为7，表面状态修正系数β=0.9，尺寸修正系数为ε=0.9，材料的曲线如图6所示。
图6 副车架材料的S-N曲线
之后，设置疲劳损伤累加原则为法则，当损伤的累加为1时结构失效；并用Goodman法则对曲线进行修正MinerNS.。利用疲劳求解器FFALANCS完成副车架的疲劳寿命预估，损伤云图用对数坐标表示，如图7所示。
图7 副车架损伤分布云图
应用相同的方法，计算得到后桥的疲劳损伤分布云图如图8所示。
图8 后桥的疲劳损伤分布云图
通过上述仿真分析，获得了副车架和后桥在特定加载工况条件下的损伤分布云图，可以直观的发现其疲劳破坏的薄弱位置；还能以数字化的形式显示任何单元的损伤值。此外，还可以提取任何单元应力/应变的时间历程函数，再结合有限元结构分析，可为进一步研究和优化结构的疲劳寿命创造了条件。所有这些，是传统的试验方法所无法比拟的。
副车架疲劳强度薄弱环节主要集中在结构的变节面位置处、缺口位置附近、以及几何面曲率突变处，与这些部位的应力集中有很大的关系。后桥的薄弱环节则作要集中在横向稳定杆的根部，V形横梁、纵摆臂与加强肋板的结合部，以及弹簧盘的根部等。另外，后桥的V形横梁损伤值较为一致，是类似的等应力均匀寿命结构，具有较高的设计参考价值。
4.2 仿真结果和试验结果的对比研究
为了验证副车架和后桥疲劳损伤仿真预估的有效性，在实车道路试验采集上海大众试验场SVP强化道路的轮轴力信号时，也在目标部件的关键部位布置了应变计以测取应变信号。在副车架与2个摇臂相连的支撑板附近布置了2个三向应变计；后桥则在弹簧盘根部、内侧加强肋板附近、以及稳定杆的根部等位置布置应变计。表3 目标零部件疲劳寿命仿真和试验结果对比
 根据测得的应变信号可以计算得到目标零部件在各自应变计相应位置处的疲劳损伤值和循环寿命。试验结果和仿真结果的对比见表3。
由上述对比分析可以发现，后桥疲劳寿命的计算结果与试验结果具有一定的一致性；副车架由于试验应变测点选定的不当，造成无法与仿真结果对比。总而言之，用虚拟试验的方法来预估目标零部件的疲劳寿命具有一定的可信度与参考价值。
5 结束语
本文讨论了如何将汽车现代CAE仿真技术与先进的试验手段结合起来，实现整车开发过程中关键零部件疲劳寿命的有效预测。作者将多体仿真计算仿真软件Virtual.lab、有限元仿真软件、疲劳分析软件Falancs等有效的结合起来完成整车耐久性虚拟试验模型的建立；并以实车道路载荷谱采集试验数据为辅助，实现虚拟试验模型的边界驱动和模型的准确性验证。
最终的仿真结果表明，利用耐久性虚拟试验的方法是实现关键零部件疲劳寿命预估的有效途径，在整车开发过程中可以部分替代整车的道路试验和室内台架模拟试验，具有较高的工程应用价值。
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(3/4/2010) |
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