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基于VPG的某商用車載荷譜研究

崔震，張克強(qiáng)，聶夢龍，王乾勛

（浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司，山東 日照 276800）

【摘要】以某商用車為研究對象，采用特征線模型縮聚技術(shù)，建立整車剛?cè)狁詈夏Ｐ停?/span>大幅提升整車多體模型的計算效率。基于虛擬試驗場技術(shù)仿真分析得到虛擬載荷數(shù)據(jù)，同時對樣車進(jìn)行實際耐久試驗場測試，獲取測試載荷譜數(shù)據(jù)用于仿真模型的修正和精度對標(biāo)?；趽p傷一致原則，將仿真載荷向測試載荷等效迭代，得到路面等效系數(shù)，從而保證基于虛擬載荷譜的結(jié)構(gòu)疲勞性能分析與實際失效模式的一致性，為商用車從零部件到整車級疲勞耐久分析、減少試驗中的可靠性問題、縮短研發(fā)時間、降低研發(fā)成本打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】商用車，VPG，剛?cè)狁詈希?/span>等效迭代

引言

    在汽車開發(fā)過程的性能預(yù)測中，零部件直至整車的疲勞耐久性能預(yù)測分析十分重要，避免或者減少在可靠性試驗中出現(xiàn)零部件疲勞損壞，從而可以有效降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。進(jìn)行疲勞耐久分析的基礎(chǔ)是首先獲取結(jié)構(gòu)的載荷歷程數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的獲取方法是試驗場采集，包括車輛拆解、安裝傳感器、裝車發(fā)車、試驗場路試及數(shù)據(jù)處理等，獲得載荷譜。采集過程耗時長且對數(shù)采設(shè)備精度要求高，如果前期載荷通道規(guī)劃不合理、通道有遺漏，就必須重復(fù)上述過程。尤其對于商用車載重大、路況復(fù)雜安全隱患多等，增加了載荷譜采集的難度。并且載荷譜采集必須在物理樣車上進(jìn)行，這就延長了車型的研發(fā)周期，降低了高效響應(yīng)市場需求的能力。

   基于虛擬路面和整車多體動力學(xué)模型的聯(lián)合仿真可以預(yù)測虛擬試驗場環(huán)境下的整車載荷，這一技術(shù)稱為虛擬試驗場技術(shù)，即Virtual Proving Ground，簡稱為VPG[1,2]，目前在乘用車方面應(yīng)用居多，而商用車載荷工況復(fù)雜應(yīng)用較少。

   基于VPG技術(shù)，將商用車載荷譜獲取的方式從基于實車測量轉(zhuǎn)到基于虛擬試驗場的仿真計算，為零部件、子系統(tǒng)到整車前期開發(fā)設(shè)計階段的疲勞分析提供信號輸入，在研發(fā)前期實現(xiàn)開展商用車結(jié)構(gòu)疲勞耐久分析[3]。解決測試耗時費力和關(guān)鍵位置難以測量的缺點，通過疲勞損傷等效方法得到的載荷譜在應(yīng)用于虛擬計算中得到的疲勞性能與試驗保持一致，能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測汽車及其零部件的疲勞性能。為企業(yè)快速研發(fā)高質(zhì)量、高可靠性產(chǎn)品，快速搶占市場提供了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。

1整車多體動力學(xué)建模

1.1  整車參數(shù)介紹

   所研究的某商用車整車及懸架相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1所示。前、后懸架均為鋼板彈簧，整備質(zhì)量3.15噸，設(shè)計滿載質(zhì)量5噸。

表1 整車基本參數(shù)

1.2  剛?cè)狁詈?/span>模型

   在大量的模型對標(biāo)工作中發(fā)現(xiàn)，柔性體能夠更好的反應(yīng)真實測試數(shù)據(jù)[4]。因此，首先建立整車剛?cè)狁詈?/span>模型，柔性體包括車架、前后橋、轉(zhuǎn)向節(jié)，如圖1所示。柔性體的生成在有限元軟件Hypermesh中利用特征線法縮減技術(shù)，相比傳統(tǒng)方法，柔性文件縮小近十倍，使仿真效率得到大幅提升。柔性體車架模型如圖2所示。

    輪胎采用完全非線性的FTire模型，其頻率可達(dá)120~150Hz，對于輪胎的穩(wěn)態(tài)性能具有足夠的精度[5]。

   板簧采用三連桿模型建模方法，根據(jù)空滿載簧上質(zhì)量、弧高及載荷變化等，調(diào)整板簧剛度曲線在整個弧高變化過程（自由狀態(tài)-空載-拐點-滿載-壓平狀態(tài)）與理論設(shè)計要求一致。仿真與理論剛度曲線如圖3所示。

   載重信息通過簡化模型測算獲得。首先根據(jù)平板貨箱尺寸利用CAD軟件建立六面體實體模型，然后通過實體體積和載重 (包括貨箱) 質(zhì)量計算出密度并賦予實體模型。測量出慣量信息，結(jié)果如表2所示，載重 (包括貨箱) 采用集中質(zhì)量模擬，賦予質(zhì)量及慣量信息，通過6個襯套與車架連接，并調(diào)整質(zhì)心位置來匹配實車前、后軸荷。

   其他部件包括駕駛室、動力總成、減振器、穩(wěn)定桿及油箱等附件。

圖1 整車剛?cè)狁詈?/span>模型

圖2 柔性體車架

 圖3 前、后板簧剛度調(diào)試

表2 載重參數(shù)

2  試驗場載荷采集

   對某試驗場耐久壞路進(jìn)行載荷采集，用以虛擬試驗場仿真對標(biāo)。試驗場載荷采集按照如圖4所示流程。

圖4 試驗場載荷采集流程圖

2.1  載荷通道說明

   本次測試的載荷通道包括輪心力、減振器位移、車架加速度等。還包括GPS通道，測量車速用以計算行駛路面長度。

   用于信號采集的傳感器有，六分力傳感器，采集各路面條件下車輪部位承受的全部載荷；拉線位移傳感器，測量路試過程減振器位移變化和車身懸置垂向位移變化；壓電式加速度傳感器，測量車架、輪心附近等位置的3方向加速度。如圖5所示為測量減振器位移和輪心加速度的傳感器布置圖。

圖5 減振器位移和輪心加速度測量

2.2  試驗路面說明

試驗場載荷采集路面如表3所示。

表3 試驗路線

3  VPG仿真

   進(jìn)行虛擬試驗場仿真分析，導(dǎo)入路面文件，設(shè)置車速與試驗一致。依次運行10條與試驗對應(yīng)的虛擬路面。

3.1  路面長度確定

   試驗中由于駕駛等外界因素導(dǎo)致車速并非完全勻速，仿真中車速也會有偏差。因此，為了彌補(bǔ)車速導(dǎo)致的載荷差異，在對標(biāo)過程中的原則是保證仿真與試驗的行駛長度一致。

   例如，對輪心力通道按照路面進(jìn)行切分，排除過渡路，載荷按路面切分如圖6所示；然后將GPS中的車速通道按照切分時間區(qū)間求積分，得到各路面行駛長度。

圖6 載荷切分及長度計算

3.2  仿真載荷后處理

   仿真載荷通道多，需要重復(fù)運行不同虛擬路面，載荷數(shù)據(jù)眾多、處理耗時且繁瑣。因此，借助編程工具可快速高效完成后處理工作。

    在軟件后處理界面一次性導(dǎo)出所有載荷通道數(shù)據(jù)，再借助編程工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理。得到與試驗長度一致的各路面仿真數(shù)據(jù)，例如石塊路乙的左前輪心力試驗和仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 石塊路乙左前輪心力試驗和仿真數(shù)據(jù)

4  等效計算

   在整車多體動力學(xué)模型的建立過程中，有些參數(shù)難以測試得到，例如襯套扭轉(zhuǎn)剛度等，只能按照經(jīng)驗值；另外，虛擬路面掃描時由于精度問題或者實際路面損耗等，都可能造成仿真載荷與實際測量有偏差。

   由于各種無法預(yù)測的因素可能導(dǎo)致仿真與試驗載荷存在較大差異，而模型精度很難繼續(xù)提升，或者需要花費巨大精力。為了解決此問題，提出一種載荷等效方法。

   基于損傷一致原則利用遺傳算法，將仿真各載荷通道矩陣向試驗載荷矩陣優(yōu)化，迭代計算路面等效系數(shù)，以此獲得更接近實際的載荷譜。

4.1  通道篩選

   仿真時整車上的任意位置都可設(shè)置載荷輸出，而試驗時由于空間限制，某些位置不方便布置傳感器。所以，等效的通道篩選需要根據(jù)試驗來確定。

   篩選之前需要對載荷數(shù)據(jù)做漂移、偏置、毛刺和極性等檢查處理。檢查完成后對仿真和試驗數(shù)據(jù)做初步的對比分析，包括幅值統(tǒng)計、雨流、損傷和PSD等，剔除信號異常或者差異較大的通道，卵石路的前輪心力載荷特征如圖8所示。其中損傷為相關(guān)性分析的主要對象，其他載荷特征為輔助檢測對象。篩選出的通道包括輪心力、輪心加速度、減振器位移、駕駛室懸置位移、懸置加速度、車架加速度和貨箱加速度等，共計62個通道，如圖10所示。

(a)雨流計數(shù)

(b)幅值統(tǒng)計

(c)PSD

圖8 卵石路前輪心力載荷特征

4.2  偽損傷計算

   偽損傷計算按照圖9所示，其中設(shè)置SN曲線斜率為-3，截距為5000。仿真通道按照路面分別計算；試驗通道按照合成路面計算。仿真損傷為的矩陣，試驗損傷為的矩陣。

圖9 偽損傷計算說明

4.3  多目標(biāo)優(yōu)化迭代

   基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化原理，運用公式(1)計算等效系數(shù)，

    式中，Xmn為仿真損傷矩陣即變量矩陣，Ym為試驗損傷矩陣即目標(biāo)矩陣，γn為路面等效系數(shù)矩陣即求解矩陣。

    設(shè)置解為大于零的整數(shù)，經(jīng)過迭代計算得到最優(yōu)系數(shù)矩陣。等效后的仿真損傷之和與試驗損傷的復(fù)現(xiàn)比為1.19，各通道的復(fù)現(xiàn)比均在1附近，如圖10所示，說明等效結(jié)果能夠很好的反映實測信號。

圖10 各通道損傷復(fù)現(xiàn)比

   將各路面的通道載荷在時域上乘以相對應(yīng)的等效系數(shù)，然后按路面順序串聯(lián)輸出仿真結(jié)果，等效串聯(lián)后的左前輪心如圖11所示。除了參與等效的通道外，其他通道載荷按照同樣的等效系數(shù)輸出，即可得到整車的所有通道載荷譜。

圖11 等效后左前輪心力

5  結(jié) 論

   基于VPG技術(shù)并運用柔性體縮減方法搭建商用車整車級剛?cè)狁詈夏Ｐ?，使仿真計算效率大幅提升。通過虛擬載荷與試驗載荷對比分析，優(yōu)化提升模型精度，建立了商用車虛擬載荷獲取能力，從而可以在商用車項目研發(fā)前期使用虛擬載荷譜進(jìn)行各零部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)、整車級的疲勞性能預(yù)測分析。

    基于損傷一致原則，運用遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化原理，對變量仿真載荷向目標(biāo)試驗載荷優(yōu)化迭代，得到路面等效系數(shù)。建立了一種載荷等效方法，按照此等效方法可以獲取整車所有位置的載荷譜，并且更接近實車測試值，為高精度的疲勞仿真分析建立了基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升企業(yè)設(shè)計研發(fā)整車產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[4] 王登峰. 車架彈性對重型載貨汽車行駛平順性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2010, 12 (41): 7-12.

[5] 嚴(yán)金霞. FTire模型的建立方法研究[J]. 汽車技術(shù), 2011 (10): 13-16.

作者簡介：宋磊(1992— )，男，山東日照人，碩士研究生，浙江飛碟汽車研究院CAE工程師。主要從事多體動力學(xué)方向，整車載荷分解等工作。

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