虛擬試驗載荷分析與試驗驗證研究

王長明　曹正林　彭亮　李云鵬　趙晉（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130011）

虛擬試驗載荷分析與試驗驗證研究

王長明曹正林彭亮李云鵬趙晉
（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130011）

基于某C級轎車實測數(shù)據(jù)在ADAMS/CAR中建立了整車多體動力學(xué)模型、虛擬臺架模型和數(shù)字化路面模型，以臺架和整車的實物試驗工況為輸入條件，通過虛擬臺架試驗分析和虛擬整車試驗分析獲取了整車級和系統(tǒng)級工作載荷，并利用實際試驗結(jié)果對其進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，虛擬試驗分析所得載荷結(jié)果與實際試驗結(jié)果在時域、頻域和相對損傷趨勢方面基本一致，該虛擬試驗分析模型可為整車和系統(tǒng)級疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

主題詞：虛擬試驗多體仿真數(shù)字化路面

1 前言

目前，整車、系統(tǒng)和零部件疲勞壽命的評價方法主要有實物試驗驗證和虛擬試驗驗證2種，為減少臺架試驗和道路試驗次數(shù)、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期及降低研發(fā)成本，通常采用虛擬試驗驗證部分或全部替代實物試驗驗證。本文以實車樣件測試數(shù)據(jù)、臺架三維模型和路面高程數(shù)據(jù)等為參數(shù)輸入，在ADAMS/CAR中建立了某C級轎車整車多體動力學(xué)模型、虛擬臺架和數(shù)字化路面模型，利用軟件型虛擬試驗技術(shù)中的半解析法和完全解析法［1～4］進(jìn)行了后懸架系統(tǒng)虛擬臺架靜態(tài)、動態(tài)特性分析和虛擬整車模型數(shù)字化路面的試驗載荷分析，并分別與臺架試驗結(jié)果和試驗場路面的測試結(jié)果進(jìn)行了對比，驗證了該虛擬試驗?zāi)Ｐ偷姆治鼍取?/p>

2 試驗載荷譜測試

對某C級車分別進(jìn)行整車試驗場典型路面試驗和懸架總成與整車臺架試驗的載荷譜測試。由于所采集的試驗數(shù)據(jù)存在零漂、野點和趨勢項等問題，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.1 試驗場載荷譜采集

在一汽農(nóng)安汽車試驗場耐久路典型路面和誤用路面上進(jìn)行試驗車輛的道路載荷數(shù)據(jù)采集［5］，主要測試參數(shù)見表1。采集完成后，對載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理使其可直接用于模型驗證分析。

2.2 臺架試驗載荷譜采集

對試驗對象進(jìn)行了前懸架、后懸架總成和整車系統(tǒng)等臺架試驗的載荷數(shù)據(jù)采集。其中，懸架總成臺架試驗項目包含縱向、垂向和側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)加載臺架試驗、多軸動態(tài)加載臺架試驗，整車系統(tǒng)的試驗項目為整車多軸加載的MTS試驗系統(tǒng)臺架試驗。

表1　主要測試參數(shù)通道

圖1為后懸架總成縱向準(zhǔn)靜態(tài)加載和整車多軸動態(tài)加載的臺架試驗照片。

圖1　實物臺架加載試驗

3 虛擬試驗分析

3.1 虛擬試驗分析模型

3.1.1 整車多體動力學(xué)模型

根據(jù)獲取的整車多體動力學(xué)模型參數(shù)，在ADAMS/ CAR中建立了試驗車整車動力學(xué)模型，如圖2所示。整車模型中包含車身、前懸架、后懸架、動力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎等。

圖2　試驗車整車多體動力學(xué)模型

3.1.2 虛擬臺架模型

虛擬臺架分析的目的是實現(xiàn)在虛擬試驗環(huán)境下，借助交互式技術(shù)和試驗分析技術(shù)，在汽車設(shè)計階段即可對產(chǎn)品的性能進(jìn)行評價或者試驗驗證。

依據(jù)臺架三維數(shù)據(jù)建立了前懸架、后懸架總成和整車系統(tǒng)的虛擬臺架模型，如圖3、圖4所示。

圖3　后懸架總成虛擬臺架模型

圖4　整車系統(tǒng)虛擬臺架模型

3.1.3 數(shù)字化路面模型

數(shù)字化路面的輪廓以實際采集典型耐久路路面高程信號［6，7］（即路面不平度）的預(yù)處理數(shù)據(jù)和誤用試驗路面測試數(shù)據(jù)為輸入，在ADAMS/CAR中建立的數(shù)字化路面模型如圖5所示。

圖5　數(shù)字化試驗路面模型

3.2 虛擬試驗分析與載荷提取

根據(jù)建立的整車多體動力學(xué)模型、虛擬臺架模型和數(shù)字化試驗路面模型等，進(jìn)行懸架總成單軸與多軸加載、整車系統(tǒng)多軸加載臺架試驗等虛擬臺架分析和整車耐久性試驗、誤用試驗的虛擬試驗場分析，完成后提取每個鉸接點的載荷，得到用于后續(xù)試驗驗證的載荷譜數(shù)據(jù)。

4 對比驗證

對虛擬試驗分析模型進(jìn)行了全面的對比驗證，以兩個方面的驗證為例進(jìn)行說明。

4.1 系統(tǒng)級虛擬臺架試驗?zāi)Ｐ偷撵o態(tài)與動態(tài)驗證

圖6為后懸架總成縱向靜態(tài)加載臺架試驗的作動器加載力，將其直接加載到模型上進(jìn)行虛擬試驗分析，圖7為作動器的位移和2#上控制臂的應(yīng)變時間歷程信號的臺架試驗和虛擬臺架試驗結(jié)果對比。由圖7可知，載荷對比結(jié)果中各級載荷幅值一致性較好，說明虛擬試驗?zāi)Ｐ蛣偠忍匦耘c實際的后懸架總成試驗一致。

圖6　臺架試驗的作動器加載力

圖7　臺架試驗和虛擬臺架試驗的時間歷程信號

對測試六分力數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯得到多軸臺架試驗驅(qū)動譜［8］，以該驅(qū)動譜為輸入，進(jìn)行后懸架總成虛擬臺架試驗分析，圖8、圖9分別為前下控制臂連桿軸向載荷的時間歷程信號和穿級計數(shù)對比試驗結(jié)果，圖10為3個連桿軸向載荷的相對損傷對比。由圖8～圖10可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗結(jié)果中時域、穿級計數(shù)和相對損傷一致性較好，說明虛擬試驗?zāi)Ｐ妥枘崽匦耘c實際后懸架總成試驗一致。

圖8　臺架試驗和虛擬臺架試驗中前下控制臂連桿軸向載荷的時間歷程信號

圖9　臺架試驗和虛擬臺架試驗中前下控制臂連桿軸向載荷的穿級計數(shù)

圖10　臺架試驗和虛擬臺架試驗中連桿軸向載荷的相對損傷

驗證結(jié)果表明：在以實車測試參數(shù)建立的懸架系統(tǒng)虛擬臺架模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的虛擬試驗載荷分析可有效再現(xiàn)實際臺架的載荷傳遞特性。

4.2 整車級虛擬試驗?zāi)Ｐ偷膭討B(tài)驗證

整車級虛擬試驗主要分析工況有耐久性臺架試驗、典型路路面試驗和誤用試驗3種，以整車耐久性驗證的車輪垂向動載荷和橫向溝槽誤用試驗的車輪相對G載荷為例，驗證該整車虛擬試驗分析模型的精度。

以典型路面整車試驗的車輪六分力為計算目標(biāo)，通過虛擬試驗的虛擬迭代［9］技術(shù)進(jìn)行除輪胎外的整車虛擬試驗?zāi)Ｐ头治鼍闰炞C，再通過整車道路虛擬試驗分析進(jìn)行整車虛擬試驗?zāi)Ｐ停ê喬ツＰ停┓治鼍闰炞C。

4.2.1 整車級臺架試驗驗證

圖11為左前車輪垂向力時間歷程信號的臺架試驗和虛擬臺架試驗結(jié)果對比，圖12為左前車輪垂向力的穿級計數(shù)、功率譜密度的對比結(jié)果，圖13為車輪垂向力數(shù)據(jù)結(jié)果的相對損傷值比較。由圖11～圖13可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗結(jié)果中時域、頻域和相對損傷一致性較好，說明整車系統(tǒng)虛擬臺架可以較好地再現(xiàn)實際臺架試驗工況。

圖11　左前車輪垂向力的時間歷程

圖12　臺架試驗與虛擬臺架試驗中左前車輪垂向穿級計數(shù)和功率譜密度曲線

圖13　臺架試驗與虛擬臺架試驗結(jié)果的相對損傷值比較

4.2.2 整車級道路試驗驗證

表2為耐久性道路試驗的車輪垂向力與虛擬試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對比，圖14為左前車輪垂向力的時間歷程信號的道路試驗和虛擬道路試驗結(jié)果對比，圖15為左前車輪垂向力的穿級計數(shù)、功率譜密度的道路試驗和虛擬道路試驗結(jié)果對比，圖16為道路試驗與虛擬道路試驗的車輪垂向力數(shù)據(jù)結(jié)果的相對損傷值比較。由表2和圖14～圖16可知，虛擬道路試驗與道路試驗結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差值、穿級計數(shù)和相對損傷一致性較好，但還存在一定的誤差，引起誤差的主要原因是耐久性道路試驗與路面采集的路線軌跡不同以及整車虛擬試驗?zāi)Ｐ痛嬖诖罅縿傮w簡化。

表2　道路試驗與虛擬道路試驗車輪垂向力的標(biāo)準(zhǔn)差N

圖14　左前車輪垂向力的時間歷程信號

圖15　道路與虛擬道路試驗中左前車輪垂向力

圖16　道路試驗與虛擬道路試驗中車輪垂向力的相對損傷值

以誤用工況試驗規(guī)范規(guī)定的車速為虛擬驗證的控制目標(biāo)，進(jìn)行虛擬試驗分析，實際試驗時車速因受到?jīng)_擊而發(fā)生變化，可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定影響，圖17為誤用試驗和虛擬試驗的相對G載荷［5］比值。由圖17可知，橫向溝槽虛擬試驗結(jié)果與實際試驗結(jié)果吻合良好，前輪相對G載荷的垂向和縱向相對誤差分別為3%和8%，后輪相對G載荷垂向相對誤差為21%。

圖17　誤用試驗和虛擬試驗的相對G載荷比值

結(jié)果表明，經(jīng)過上述驗證的整車虛擬試驗?zāi)Ｐ偷木容^好，但仍需不斷積累和完善虛擬試驗方法才能得到較為可靠的整車級試驗載荷。

5 結(jié)束語

對系統(tǒng)級的靜態(tài)和動態(tài)、整車級的動態(tài)和整車道路試驗等的虛擬試驗分析模型進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，虛擬試驗分析載荷結(jié)果可以較好地再現(xiàn)臺架試驗和整車道路試驗等試驗工況，說明該虛擬試驗分析模型可為整車和系統(tǒng)級的疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

1李飛，郭孔輝，丁海濤，等.汽車耐久性分析底盤載荷預(yù)測方法研究綜述.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（24）：5960～5964.

2 Cruz JMD，Santo ILDE，Oliveira AAD.A Semi-Analytical Method to Generate Load Cases For CAE Durability Using Virtual Vehicle Prototypes.SAEPaper 2003-01-3667.

3徐剛，周鋐，陳棟華，等.基于虛擬試驗臺的疲勞壽命預(yù)測研究.同濟大學(xué)學(xué)報，2009，37（1）：97～100.

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5程穩(wěn)正，曹正林，趙晉.乘用車整車誤用試驗軸頭載荷仿真研究.汽車技術(shù)，2015（11）：34～38.

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7劉再生，霍福祥，楊立峰，等.基于路譜輸入的汽車臺架耐久性試驗方法研究.汽車技術(shù)，2010（9）：47～50.

8劉再生，霍福祥，王長明，等.轎車懸架臺架多軸疲勞試驗載荷開發(fā).汽車技術(shù)，2012（6）：47～50.

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年6月7日。

Research on Load Analysis of Virtual Experiment and Experimental Validation

Wang Changming，Cao Zhenglin，Peng Liang，Li Yunpeng，Zhao Jin
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control，Changchun 130011）

【Abstract】A multi-body dynamics model of a C-class car，virtual test rig model and digital road model are constructed in ADAMS/CAR based on the measured data，and the test rig and vehicle test conditions are used as input condition.The working load of the vehicle and system are obtained by the virtual experiment analysis of the test rig and the vehicle，which are validated with practical test results.The results indicate that the virtual experiment results and test results are basically consistent in the time domain，frequency domain and relative damage trend，the virtual experiment model can be used in fatigue life analysis and structure optimization of the vehicle and system as input load condition.

Virtualexperiment，MBS，Digital road

U467

A

1000-3703（2016）08-0043-05