商用車整車虛擬臺架仿真技術研究

曹正林　韓超　林業　李赫（中國第一汽車股份有限公司技術中心 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130011）

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商用車整車虛擬臺架仿真技術研究

曹正林韓超林業李赫
（中國第一汽車股份有限公司技術中心 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130011）

【摘要】以某重型載貨汽車為研究對象，采用Abaqus軟件中的顯式和隱式求解技術交互方法，建立了整車柔體非線性動力學仿真模型，模型中考慮了各種非線性因素（如板簧、輪胎及各類襯套等）。與相同工況下的臺架試驗對比可知，所建模型精度較高。在此基礎上，利用整車裝配有限元模型進行虛擬6通道道路模擬臺架試驗的時域仿真，測試結果表明主要結構應力誤差小于25%，仿真偽損傷值與實測值接近。

主題詞：重型載貨汽車輪胎板簧非線性動力學

1　前言

目前，汽車行業內多使用多體動力學方法搭建虛擬樣機模型來仿真整車系統，并提取相應載荷歷程，然后使用慣性釋放方法計算出單位作用力下的多通道響應，再與載荷歷程進行多通道線性疊加，校核疲勞強度。此方法雖然計算速度較快，但存在一定的局限性：第一，對于非線性、大變形、大位移的結構仿真模擬存在較大誤差；第二，很大程度上受限于剛體動力學商用軟件的經典模型，尤其表現在輪胎模型是公式化模型，而非基于本構關系的物理模型。針對以上問題，本文嘗試以某重型卡車為研究對象，建立了整車高度非線性的有限元模型，模擬商用車整車6通道試驗，對試驗場工況進行仿真，得到整車時域響應。

2　非線性動力學分析基本原理

中重型車整車系統非線性主要來源有以下幾方面［1］：輪胎材料非線性、接觸非線性、幾何非線性；板簧接觸非線性、幾何非線性；橡膠襯套動、靜剛度非線性；阻尼器非線性；其他空間接觸（例如車架接觸）非線性。如何快速地在眾多非線性因素的影響下得到收斂的解，成為提升整車非線性動力學仿真精度的關鍵［2］。

基本運動方程：

式中，U（）t為位移；M為質量矩陣向量；C為阻尼矩陣向量；K為剛度矩陣向量；R（）t為節點載荷矩陣向量。

根據整車試驗經驗可知，中重型車整車系統的動態特性主要由板簧、輪胎以及車架等關鍵結構件的剛度和質量分布綜合決定，所以在建模過程中分別將以上結構有限元仿真模型與試驗結果進行對比驗證，確保整車子系統裝配模型的準確性，為系統分析奠定基礎。整車關鍵結構仿真特點及模型校驗標準見表1。然后對已校對的整車含預載荷的裝配模型進行非線性動態仿真。

表1　　整車關鍵結構仿真特點及模型校驗標準

3　　板簧特性研究與仿真

3.1板簧建模

由于變截面少片簧工藝參數非常復雜，以參數化的3D模型為基礎建立的有限元板簧模型的精度無法保證，誤差在10%～20%之間。因此，基于點云掃描逆向工程進行3D建模，然后將其離散為有限元網格，見圖1。

3.2板簧模態仿真與試驗驗證

使用自然頻率提取方法提取系統固有特性，并與錘擊法模態試驗對比。計算模態與試驗對比誤差小于5%，見表2。說明線性狀態下板簧模型的剛度和質量分布準確。

表2　板簧模態測試與仿真對比

3.3板簧動剛度、靜剛度仿真與驗證

因此，針對南通藍印花布紋樣圖像數據庫設計需求，解決現有技術中圖像數據庫檢索效率不高、存儲、檢索關鍵詞擴展性不好、數據與數據之間關聯不明確、計算機圖像處理研究技術及現有圖像數據倉庫管理方法的不足，我們提出了一種新的基于內容的、可擴展、高效存儲、檢索的圖像數據倉庫管理方法。

少片簧有限元模型考慮了片間摩擦和中心螺栓預緊，使用Abaqus∕Standard仿真靜剛度，計算靜剛度為292.6 N∕mm，實測數據為311.6 N∕mm，誤差約為6%。板簧在小幅值振動范圍內表現出的動剛度直接影響整車的動力學特性，且根據經驗，低頻動剛度與加載頻率基本無關。本文以1 Hz為例校驗板簧動剛度特性，首先在Standard隱式靜力學求解中，計算螺栓預緊力和板簧預載，然后將Standard求解結果導入Explicit求解器進行動態求解。板簧摩擦因數在0.2～0.3之間微調，得到的動剛度計算結果見表3，動態仿真效果令人滿意。

表3　1 Hz加載條件下前鋼板彈簧動剛度

4　輪胎試驗與仿真

4.1橡膠材料本構模型

橡膠為超彈性材料，本文中采用的Yeoh應變能理論描述橡膠材料在大變形下的力學特性，其應變能函數為［4］：

式中，U為應變能；N為展開多項式的階數；Ci0描述材料的剪切特性；Di描述材料的壓縮性；Ii為變形張量不變量；J為彈性體積比。

如果材料為不可壓縮，那么J=1，即可忽略式（2）中的第二部分。如果采用三參數形式，則N=3，有

將橡膠材料的實驗數據輸入ABAQUS軟件，即可對C10、C20、C30進行參數辨識。

4.2輪胎模型

4.3輪胎仿真與試驗

輪胎剛度為非線性，載荷越大剛度越大。由非線性剛度曲線圖3知，在設計輪荷3.5 t載荷下，垂直剛度計算值為1 096 N∕mm，試驗垂直剛度約為1 040 N∕mm，誤差5%。另外，由輪胎模態測試和仿真對比結果（表4）可知，基于材料本構方程的仿真輪胎模型計算精度較好。經分析，輪胎表面的花紋對輪胎剛度結果影響較大，本文使用的輪胎胎面花紋為簡化花紋，建模過程中只保證了徑向剛度的準確性，軸向剛度誤差較大，所以導致了1階、2階軸向模態頻率誤差較大。

表4　　輪胎約束模態仿真結果與試驗對比

5　　車架試驗與仿真

建立車架仿真模型（圖4），并利用模態試驗驗證其質量和剛度的分布特性，試驗結果表明，模型準確性較好（見表5）。車架模態的誤差主要來自車架上長螺栓連接結構的質量，尤其是平衡大支架與車架連接部分的螺栓質量，本文在建模過程中考慮了這部分質量，但由于數量過多，略有簡化。

表5　　模態頻率試驗及仿真結果

6　　整車模型裝配

整車模型（見圖5）共有約45萬個節點、44萬個單元，共含部件221個（不包含駕駛室、動力總成單元）。本文使用ABAQUS軟件的Standard求解器進行模型的裝配和靜平衡工況的求解，然后將Standard隱式求解結果導入Explicit顯式求解器，在導入過程中需要解決求解器的不兼容問題，包括單元類型不兼容、剛性連接不兼容、減縮積分沙漏控制不兼容、接觸定義方式不兼容等。

7　整車系統中的懸架固有頻率特性分析

板簧、輪胎、車架等關鍵結構組成了整車有限元模型，輪胎、板簧和車架的剛度以及各關鍵部件的質量決定了整車系統的主要低頻動態特性，進而影響整車系統在實際運動工況中的應力響應，所以整車的動態仿真必須保證整車系統懸架模態特性的準確性，懸架固有頻率是檢驗懸架模型的重要指標之一。整車系統下的動態仿真與測試對比結果見表6，動態仿真振型如圖6所示，前懸架模態主要由輪胎剛度和非簧載質量決定，仿真計算中輪胎同向跳動的固有頻率與反向跳動的固有頻率數值的差別來源于橫向穩定桿扭轉剛度的作用。后懸架雙橋前、后反跳的頻率主要由輪胎剛度和非簧載質量決定，雙橋左、右異步反跳主要由輪胎剛度、非簧載質量分布以及平衡懸架反作用桿襯套剛度共同決定。

表6　整車系統下的動態仿真與測試結果

8　　整車臺架疲勞試驗

在進行整車6通道道路模擬臺架試驗的過程中，回采作動器位移高程信號和危險點應力信號作為仿真的輸入條件和驗證條件。6個作動器位移高程的時域譜如圖7，該時域譜將作為整車仿真的輸入位移載荷邊界條件。

9　整車應力仿真與試驗對比

在整車試驗中確定典型位置S1，S2。S1位于車架縱梁第一折彎點，S2位于橫梁邊緣，如圖8所示。

整車虛擬動態仿真過程分為10種不同路段，包括扭曲路、搓板路、比利時路、大圓凸起、小圓凸起等。在仿真結果中提取典型位置的時域應力歷程，提取應力的方向與測試的單軸應變片方向相同，將實測結果與仿真結果進行對比。圖9為扭曲路工況某時刻應力云圖；圖10為扭曲路仿真結果與實測結果時域應力對比曲線。

圖11為搓板路工況仿真結果與實測結果對比曲線；通過對比搓板路工況和扭曲路工況下的計算仿真曲線與試驗曲線，證明這種模擬方法在時域和頻域上均具備一定精度。

通過結果對比可見，測試與仿真結果在時域與頻域上趨勢基本一致，各工況下偽損傷比在0.25～3之間（見表7），說明整車虛擬臺架仿真技術可以有效地仿真整車臺架疲勞試驗條件下中重型車的動態應力響應，這為預測中重型車整車系統疲勞提供了技術基礎。仿真結果與試驗結果也存在一定的誤差，引起誤差的主要原因是仿真模型存在簡化：材料阻尼為假設阻尼，沒有通過試驗測試；輪胎的側向剛度和縱向剛度存在一定誤差。針對以上這些因素將進一步展開深入研究。

表7　各種路面工況下試驗和CAE計算偽損傷對比

參考文獻

1曹正林.虛擬試車場技術預報載貨汽車底盤耐久性研究.汽車技術，2010（2）：51～57.

2Ramesh Edara，Shan Shih.Heavy Vehicle Suspension Frame Durability Analysis Using Virtual Proving Ground.SAE Paper 2005-01-3609.

3王勖成.有限單元法.北京：清華大學出版社，2003.

4Shahyar Taheri.Finite Element Modeling of Tire Transient Characteristics in Dynamic Maneuvers.SAE Paper 2014-01-0858.

5曹正林.虛擬試車場動力學輪胎模型技術研究.汽車技術，2012（4）：13～16.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年1月12日。

中圖分類號：U461.7+1；U463.32

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）06-0019-05

Research on Simulation Technology of Virtual Rig for Commercial Vehicle

Cao Zhenglin，Han Chao，Lin Ye，Li He
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise &Safety Control，Changchun 130011）

【Abstract】With a heavy duty truck as research object，we use the interactive method of Abaqus explicit∕implicit solution technology to establish a vehicle flexible&nonlinear dynamics simulation model，which considers many nonlinear factors like leaf spring，tires and rubber bushings.Compared with the bench test under the same conditions，the established model has higher precision.Based on this，we make simulation of the 6-channel road simulator test on the vehicle with finite element model.The test results show that stress error of main structure is less than 25%，pseudo-damage value from simulation is similar with measured value.

Key words:Heavy truck，Tire，Nonlinear，Dynamics