基于3D數字路面的整車耐久性能評價方法研究

孫成智，段向雷，翁 洋，王光耀

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

基于3D數字路面的整車耐久性能評價方法研究

孫成智，段向雷，翁 洋，王光耀

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

鑒于傳統的路譜采集方法受限于樣車試驗，開發周期長，且無法有效預測后期參數變化和評估全新車型，本文中在傳統整車動力學載荷分析的基礎上，建立了輪胎高頻模型和試驗場3D數字路面模型，提出了路面-輪胎-懸架-車身的這一完整傳遞路徑的整車虛擬路譜動態響應分析和耐久性能評價方法。通過生成基于3D數字路面的動態載荷，可在項目開發早期進行汽車結構耐久性能評估。結果表明，用此方法獲得的數據與傳統輪心力傳感器采集的路譜數據相當接近，能有效識別零件的風險位置和逐步免除開發階段的路譜數據采集，在開發早期實現結構耐久性精確評估。

輪胎模型；3D數字路面；虛擬路譜；載荷預測；疲勞耐久性

前言

隨著汽車行業競爭日趨加劇，如何在項目開發早期設計出滿足苛刻道路耐久試驗驗證的產品，減少道路耐久試驗出現問題，對減少項目開發時間和成本有重要意義。在現有評估體系中，基于整車道路耐久試驗獲取整車道路載荷譜是整車研發中非常關鍵的一環。道路試驗能夠真實模擬客戶使用環境，準確地找到整車存在的隱患，特別是底盤結構件的疲勞耐久問題，是整車研發中的重要環節。

上汽自主品牌底盤開發一直按RLM(road-labmath)開發策略，走正向開發路線。目前所有上汽自主品牌車型都需完成兩輪耐久道路試驗，但隨著項目開發周期的不斷縮短，道路耐久試驗周期長的問題變得更加突出，亟待解決。特別是在車輛前期開發階段，沒有樣車、沒有實際零件的條件下，如何進行零件的強度校核和疲勞壽命預測，傳統載荷獲取方式正面臨著嚴重挑戰。

隨著車輛動力學分析能力的不斷發展，高精度的輪胎模型、懸架模型已經逐漸應用到結構耐久開發中，基于輪胎與路面激勵的整車動力學分析技術——虛擬路譜技術已經在國內外逐漸發展起來。GM、克萊斯勒、寶馬、菲亞特、路虎、麥格納等已經在整車結構性能開發中使用帶輪胎、路面的虛擬路譜環境進行整車結構動態載荷分析。文獻[1]中使用激光掃描方法建立了數字路面，并應用虛擬路譜計算道路譜載荷。文獻[2]中使用虛擬路譜計算了扭轉梁懸架的動力學響應，并與試驗對比了應變信號。文獻[3]中通過建立整車動力學模型，對比了Rough road和比利時石塊路的輪心載荷PSD譜，主要峰值頻率的幅值較為接近，分析精度較高。上述研究主要研究了輪心載荷和懸架內部力的試驗相關性，但沒有研究對結構損傷等耐久性能的影響。國內在此方面的研究則多集中在有限元環境下，文獻[4]中建立了VPG環境下的整車有限元模型，計算了比利時路、扭曲路等整車結構載荷，對比了動應力和偽損傷?；赩PG方法在有限元環境下可以建立整車模型。該模型過于龐大，而且輪胎、襯套等彈性件的有限元模型建模也較為復雜，分析精度不易保證，會對結果產生一定的誤差。

本文中在上述研究的基礎上，探索在動力學分析環境下建立整車虛擬路譜模型，通過對3D數字路面、高精度輪胎模型、襯套懸置等彈性元件模型、動力學仿真對標等系列技術的深入研究，建立路面-輪胎-懸架-車身的這一完整傳遞路徑的整車虛擬路譜動態響應分析和整車結構件耐久性能評價方法，為底盤、車身提供準確的設計載荷用于疲勞仿真，也可作為臺架試驗的輸入載荷，減少開發階段路譜采集，在項目早期實現結構耐久性能評估。

1 虛擬路譜數字路面-輪胎模型

路譜載荷分解過程并不包含輪胎模型，虛擬路譜分析則是在數字路面上直接進行輪心載荷甚至零部件載荷的輸出。其中數字路面可由激光掃描得到，分辨率可達1mm級，能夠準確描述三維路面不平度信息，但需要一定的數據處理[5]。用于整車平順、耐久性能分析的輪胎模型所要求的頻率范圍一般較高，如圖1所示，一般以Swift、FTire和有限元等輪胎模型為主，以便較好地反應整車在短波不平路面、發動機激勵下輪胎-懸架等復雜振動系統的動態響應。

圖1 輪胎模型分類

1.1 虛擬路譜數字路面模型

本文中采用激光掃描設備，對路面進行三維掃描和建模。圖2為激光掃描的設備實車圖，有2組激光傳感器探頭，架設于采集車后方，分別采集一定角度范圍內的路面信息，經過2組傳感器數據的比對、重合處理，生成被掃描路面的原始點云數據。

圖2 三維激光掃描設備實車圖

由于激光掃描傳感器分辨率較高(約1mm)，原始數據往往過大，還會包含有較多雜物如小石塊、雜草等額外的非路面特征，不能直接用于后續的整車動力學仿真，需對原始路面數據進行一定的處理，經過路面網格修補，刪掉過于密集的局部小特征，保留光順的特征線[5]。

網格尺寸對于仿真精度有一定的影響，其中5mm×5mm相對于10mm×10mm和15mm×15mm網格的精度提升分別為9.5%和16.8%[6]，分析表明，5mm×5mm的計算效率也能夠滿足虛擬路譜仿真要求，由此綜合考慮精度和效率因素，選取5mm×5mm作為路面分辨率輸出CRG和RGR格式路面，如圖3所示。

最后，對掃描得到的路面模型進行驗證。本文中選取試驗場中指定測點，進行實際測量，與掃描路面沿單位前進方向上的垂向高程偏差控制在10%以內，其中隨機路面(比利時路)多個測點需滿足一定的統計分布規律，盡量減少由路面引起的系統誤差。

圖3 路面點云模型

1.2 輪胎動力學模型

常見的輪胎平順性和耐久性分析模型中，Swift為剛性環模型，無法表示輪胎胎體高階徑向特性。如果考慮到胎體的連續變形，則需要將胎體作為離散可變型單元表示，如CD-Tire和FTire，能夠表示胎面連續變形，圖4所示的柔性環輪胎模型的徑向加速度頻譜，表現出比較明顯的階次頻率[7]。

圖4 柔性環輪胎模型徑向固有頻率

整車平順性、耐久分析工況的系統分析頻率可達到20～50Hz，如果考慮發動機激勵，所要求的頻率范圍會更高，而且輪胎接地印跡內會有比較復雜的運動、黏著特性，傳統的剛性環點接觸模型對于復雜短波路面并不適用。本文中使用柔性環FTire輪胎模型，如圖5所示，采用Maxwel單元、摩擦單元和超彈、阻尼單元等并聯表征胎面與輪輞之間的胎體超彈、黏彈和遲滯效應，圖中F表示摩擦單元，d表示阻尼單元，c表示彈性單元。本文中使用FTire/fit軟件定義的試驗工況對輪胎模型進行參數識別。

圖5 FTire輪胎胎體徑向連接單元

圖6 為FTire輪胎參數識別試驗和Cleat凸塊動態特性驗證試驗，分別進行輪胎靜態、動態剛度和扭轉、縱向側偏滑移特性分析，獲取輪胎模型參數。并通過Cleat凸塊試驗進行驗證，輪心垂向力精度一般較高，對于縱向力、側向力等方向的誤差，可通過調整部分參數進行修正。圖7為穩態回正工況和斜置Cleat凸塊工況試驗與FTire仿真對比。輪胎回轉力矩與試驗的一致性非常好，表明輪胎模型的穩態摩擦特性、縱滑特性精度較高，Cleat凸塊中輪心垂向力能較好地跟隨試驗結果，反應輪胎在路面不平度激勵下的動態響應。

圖6 輪胎參數識別試驗

圖7 FTire滑移特性和Cleat凸塊動態對標結果

2 基于3D數字路面的整車動力學仿真與對標結果

在路面、輪胎模型基礎上，建立虛擬路譜整車動力學模型，進行結構試驗場環境下的整車動力學特性分析、載荷發布和支持耐久性能評估。

2.1 整車動力學模型與驗證

基于已開發的整車自動化建模分析流程，可實現由零部件級性能曲線到整車模型自動化建模及K＆C工況自動分析的整套流程，通過襯套、減振器和緩沖塊等彈性體特性試驗，獲取涵蓋線性、非線性段的特征曲線(如圖8所示)，集成FTire輪胎模型建立整車動力學分析模型，如圖9所示。

圖8 襯套特性試驗及非線性剛度

圖9 整車自動化多體動力學模型

經過K＆C對標后，本文中依據試驗測得的輪心力和懸架內部桿件、球頭力，采用傳統載荷分解方法對整車模型進行動態特性驗證，圖10為某車型在路譜載荷激勵下的輪心加速度、彈簧位移對標情況(左前輪LF)，具有較高的仿真精度。

圖10 整車動態載荷對標

2.2 虛擬路譜載荷分析與耐久性能評估

虛擬路譜分析的一個顯著特點是引入了“駕駛”的概念，從而不依賴于實車路譜采集而直接獲取整車的零部件載荷。由于實際試驗場規范中存在較多的駕駛操作，如急加速、制動、轉向、勻速等，因此需要對整車模型進行一定的駕駛控制，如軌跡和速度控制，以按照耐久規范進行特定駕駛行為的虛擬路譜仿真。

本文中采用駕駛跟蹤補償的控制策略[8]，以PID控制方法實現，如圖11所示?；诔跏捡{駛參數操縱車輛前進，并與預期的目標軌跡、速度進行對比，一旦出現偏差，則通過整車駕駛行為(轉向盤轉角、制動、油門開度)對行駛軌跡進行補償、修正，直至車輛模型的行駛軌跡、速度與目標在誤差范圍內，如圖12所示，整車駕駛軌跡和速度基本與試驗采集的目標速度和軌跡保持一致。

圖11 駕駛跟蹤補償控制

至此，可根據試驗場的耐久考核規范，在某試驗場虛擬結構路面上進行整車動力學分析，整車模型按照預定的軌跡和速度行駛，如圖13所示，同時輸出輪心、底盤和車身各連接點的動態載荷。

分別對比利時路(PAVE)、正弦短波路和扭曲路進行虛擬路譜載荷仿真，并與試驗采集的輪心力對標，如圖14所示。3種路面的輪心垂向力時域信號與試驗的一致性較好，頻域主要峰值、能力分布一致，RMS比值0.9～1.1。比利時石塊路輪心力和彈簧位移的偽損傷比值均介于0.5～2.0之間(圖15)，表明輪心力精度與虛擬迭代、載荷分解等傳統載荷工作精度相當，能夠滿足后續結構分析的要求。圖15中，WFT代表輪心力；Fx，Fy和 Fz分別表示縱向、側向和垂向力；LF，RF，LR和RR分別代表4個車輪；Dis_Spr表示彈簧位移。

圖12 虛擬路譜軌跡與速度對標

圖13 整車虛擬路譜動力學耐久載荷仿真

根據上述載荷分析結果，進行零部件損傷的對比。由于前、后副車架與底盤連接點較多，受力形式相對比較復雜，對輪心力的變化相對比較敏感，因此考慮使用前、后副車架對虛擬路譜載荷進行零件級損傷驗證，如圖16所示。

與傳統路譜分解方法對比，虛擬路譜計算得到輪心力計算所得前、后副車架零件損傷分布，能夠完全識別出傳統路譜采集方法所分析的風險位置，并且量級水平相當。

圖14 3種典型路面耐久載荷對比

圖15 PAVE路載荷偽損傷比值

圖16 虛擬路譜零部件結構損傷對比

至此，基于3D數字路面的整車耐久性能分析流程能夠不依賴于路譜采集而獲得準確的路譜載荷，并準確預估零件風險位置，應用該評價方法能夠減少、替代開發階段的路譜采集試驗，在開發早期實現結構耐久性能的精確評估，用于后續項目的整車零部件結構耐久分析工作中。

3 結論

本文中基于3D數字路面掃描和輪胎高頻動力學模型方法，實現虛擬路譜整車動態耐久載荷輸出，并進行了載荷、結構疲勞對標。

(1)針對激光掃描3D數字路面，綜合計算精度和效率確定網格尺寸，通過與實際測點對比，確保數字路面滿足要求。

(2)通過輪胎參數識別試驗和輪胎凸塊動態試驗對FTire輪胎響應特性進行驗證和參數優化，在縱向、垂向具有較高的仿真精度。

(3)采用駕駛跟蹤補償的控制方法，實現整車速度、軌跡控制和整車虛擬路譜動態載荷仿真。與傳統路譜分解方法對比表明，輪心載荷與試驗的一致性較好，并且能夠完全識別傳統路譜分析的零部件風險位置。

基于3D數字路面的整車虛擬路譜耐久性能分析流程能夠獲取準確的路譜載荷和預估零件風險位置，應用該評價方法能夠減少并逐漸替代開發階段路譜采集試驗，在項目早期進行耐久性能評估，用于后續項目的整車零部件結構耐久分析工作中。

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A Study on the Evaluation Method of Vehicle Durability Performance Based on 3D Digital Road

Sun Chengzhi， Duan Xianglei， W eng Yang ＆ Wang Guangyao
SAICMotor Technical Center，Shanghai 201804

In view of that the traditional road spectra acquisition method is limited by prototype vehicle test with long development cycle and can not effectively predict subsequent parameter changes and estimate the parameters of new vehiclemake，a high-frequencymodel for tire and a 3D digital road surfacemodel are established based on the traditional analysis on vehicle dynamic loads，and amethod of virtual road spectra dynamic response analysis and durability performance evaluation of vehicle for the complete transfer path from road， tire， suspension to car body is proposed.By generating dynamic load based on 3D digital road，the durability performance of vehicle structure can be estimated in early phase of project development.The results show that the method adopted can get the data rather close to road spectra data collected by.traditional wheel-center force transducer and effectively identify the risk locations of componentand gradually eliminate road spectra data acquisition in development stage，achieving accurate estimation of structural durability in early stage of development.

tiremodel； 3D digital road； virtual road spectra； load prediction； fatigue durability

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.018

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月29日。

段向雷，博士，中級工程師，Email：duanxianglei＠saicmotor.com。