基于虛擬迭代方法的后扭力梁載荷譜提取

龔春輝 葛文韜 段龍楊 王祖建

摘 要：建立了整車動力學模型，以試驗場采集的輪心六分力為激勵信號，以實測軸頭加速度和彈簧位移為目標信號，運用虛擬迭代方法反求出輪胎接地點處的位移激勵，驅動整車模型進行仿真分析，從時域、損傷域、幅值域和頻率域多方面對仿真輸出結果與實測信號進行了對比分析，結果表明仿真結果與實測信號對標良好，提取了后扭力梁連接點的載荷譜，為后期零部件的疲勞分析提供了輸入條件。

關鍵詞：整車動力學模型；輪心六分力；虛擬迭代；載荷譜

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-54-04

Abstract： The full vehicle model was built and wheel center six-component forces which has been acquired from proving ground are taken as excitation signal. The hub acceleration and spring displacement are taken as target signal. The displacement excitation of tire contact patch was back-calculated by applying virtual iteration method， the simulation analysis of full vehicle model was motived， and comparison analysis of simulation result and measurement signal were conducted from multi-aspects， including time domain， damage domain， amplitude domain and frequency domain， the analysis result has shown that simulation result and measurement signal were calibrated well. The load spectrum at interface points of rear twist beam has been extracted， which was used as the input of automobile parts fatigue analysis.

Keywords： full vehicle dynamic model； six-component force on wheel center； virtual iteration； load spectrum

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-54-04

引言

扭力梁后懸架具有結構簡單、便于拆裝、占據空間少以及簧下質量小等優點[1]，廣泛應用于A級及A0級轎車后懸系統中。后扭力梁是后懸架系統中重要的承載部件，需要承受路面通過輪胎、彈簧、限位塊及減振器等零部件傳遞的力和力矩，易發生疲勞失效[2]，因此很有必要在設計階段對后扭力梁進行疲勞耐久驗證。

傳統的汽車零部件疲勞耐久性能評估方法是整車試驗場道路耐久性試驗，此方法雖然是最直接且有效的方法，但試驗周期長且費用高，如若出現疲勞失效問題，需重新進行設計變更，并重新進行道路試驗。因此，國內外各汽車廠商均采用計算機虛擬仿真分析方法對關鍵部件進行疲勞分析，而疲勞分析的關鍵點在于此部件的連接點載荷的準確性，但扭力梁受力情況復雜，其連接點載荷很難通過試驗直接獲得，故只能通過采用基于多體動力學的方法來提取的扭力梁連接點的載荷譜[3]。

對于利用多體動力學方法提取載荷譜的方法，近年來研究的熱點是虛擬試驗場技術，此技術有三項關鍵輸入條件：柔性輪胎模型、3D數字路面以及駕駛員控制模型[4]，柔性輪胎模型需通過輪胎與路面的摩擦特性試驗、胎體變形等本體特性試驗獲得；3D數字路面需應用3D道路測量系統激光掃描路面，逆向建立路面模型；駕駛員模型需以試驗采集的路面軌跡為目標進行閉環控制，整套技術的難度和成本投入巨大，因此目前本文采用虛擬迭代方法來提取后扭力梁連接點的載荷，通過采集樣車的輪心六分力、彈簧位移及軸頭加速度等信號作為目標信號，反向推導輪胎接地點的位移激勵，用于驅動動力學模型進行仿真分析，回避了虛擬試驗技術中的路面掃描建模、復雜輪胎和駕駛員模型等問題。

1 道路載荷譜采集及零件標定

道路載荷譜采集是為了獲取車輛在路面不平度激勵下的各種響應信號，信號一般包含力、力矩、加速度、應變等，采用通道的分配情況如表1所示，圖1為輪心六分力測量，圖2為軸頭加速度測量，圖3為彈簧應變測量，圖4為轉向橫拉桿應變測量。采集工作在國內某汽車試驗場內進行，采集的重量狀態為半載和滿載，采集道路為強化路面與坡道，路面信息如表2所示。

彈簧的標定使用力標定法，如圖5所示，通過標定獲得彈簧應變與彈簧位移之間的線性關系，最終將彈簧的應變信號轉換成位移信號（以共振路2為例），如圖6所示。

2 整車多體動力學模型建立

零部件連接點處載荷的準確性取決于多體動力學模型的精度，所以根據載荷譜采集的樣車建立其相應的多體動力學模型就顯得尤為重要。因此，模型建立所需的相關參數輸入需進行實測并進行適當調整，圖7實線為下擺臂前襯套徑向剛度實測數據，由于測試時的范圍達不到車輛在惡劣工況下的襯套工作范圍，剛度曲線還需要進行相應的擬合延伸，如圖7虛線所示。

本文所分析的車型采用麥弗遜前懸架和扭力梁后懸架，驅動形式為前置發動機前輪驅動，后懸扭力梁在通過強化壞路時會發生彎曲和扭轉，故對其進行了柔性化處理，運用模態綜合法[5]，利用有限元軟件計算得到包括模態信息的扭力梁中性文件，利用模態中性文件完成對扭力梁的柔性化處理，從而建立如圖8所示的整車多體動力學模型。

為驗證所建立模型的準確性，將前后懸架模型的K&C仿真結果與試驗數據進行了對比，前懸架垂向剛度、側向剛度及縱向剛度的對比如圖9所示，后懸架垂向剛度、側向剛度及縱向剛度的對比如圖10所示，模型仿真數據與測試結果吻合度很高，模型能夠支持下步虛擬迭代及載荷提取。

3 虛擬迭代及載荷提取

3.1 虛擬迭代原理

虛擬迭代是以易測位置處的信號（如彈簧位移信號）作為目標信號，通過計算整車模型的傳遞函數及其逆函數，反求得到其激勵信號，使得模型仿真結果接近載荷譜采集的目標信號，其流程圖如圖11所示，主要步驟包括3個步驟[6]：

（a）測量獲得車輛在通過強化壞路的信號，其中彈簧位移及軸頭加速度作為迭代的目標信號，輪心除垂向力外的其余五分力作為迭代的外加激勵信號；

（b）系統識別：此步驟主要是獲得整車動力學模型的傳遞函數，將噪聲信號u0（f）輸入整車動力學模型，得到相應的輸出信號y0（f），傳遞函數F（f） = y0（f）/ u0（f）；

（c）虛擬迭代：利用傳遞函數逆函數和目標信號，反求得到輪胎接地點處的位移激勵信號，在此位移激勵信號下得到仿真結果，與實測目標信號進行比較，進行偏差修正和多次迭代，直到仿真結果和實測目標信號達到收斂狀態。

虛擬迭代結果的判斷主要從時域、損傷域、幅值域和頻域等方面對測試數據和仿真結果進行對比，以比利時路面為例說明，圖12為左前彈簧位移的時域對比結果，測試數據和仿真結果趨勢完全一致且峰值相近，表3為虛擬迭代各通道測試數據和仿真結果的相對損傷計算結果，相對損傷值均在1.0附近，且從圖13可知損傷值分布也很一致，表明測試數據和仿真結果在損傷域完全一致。幅值域對比主要從雨流分布和穿級計數兩個方面進行對比分析，左前彈簧位移的雨流計數對比如圖14所示，穿級計數對比如圖15所示，可以看出測試數據和仿真結果在幅值域完全一致。圖16為左前軸頭垂向加速度測試數據和仿真結果在頻率域內的對比，損傷大部分集中在0～40Hz范圍內，信號吻合程度也非常高。綜上所述，通過對多體動力學模型進行虛擬迭代，完全復現了車輛在通過強化壞路時的軸頭加速度和彈簧位移響應，能夠支持載荷提取工作，后扭力梁與車身左側連接點的載荷譜如圖17所示。

4 結論

采集了試驗場的道路載荷譜，創建了整車動力學模型，模型K&C仿真結果與試驗數據對標結果良好。運用虛擬迭代方法，復現了車輛在通過各強化壞路的軸頭加速度和彈簧位移響應，提取了后扭力梁連接點的載荷譜，為后期零部件的疲勞分析提供了輸入條件。

參考文獻

[1] ZHAO L H， ZHENG S L， FENG J Z. Failure mode analysis of torsion beam rear suspension under service conditions[J].Enginee -ring Failure Analysis， 2014（36）：39-48.

[2] 戰楠，鄭福榮，高鵬飛，等.基于實測載荷譜的轎車后扭梁疲勞仿真研究[J].機械強度， 2015，37（5）：959-963.

[3] 宋亞偉，黃元毅.基于多體動力學模型的汽車底盤動態載荷分析[J]. 汽車技術， 2017（3）：12-18.

[4] Daeoh Kang， Seungjin Heo， Holyoung Kim. Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method for VPG Simulation [J].SAE，2009-01-0814.

[5] 馮海星，劉海立，張松波，等.模態綜合法在車身結構動力學計算中的應用[J].汽車工程，2012，34（9）：811-815.

[6] Manfred Becker， Thomas Langthaler， Markus Olbrich， etc.The Hybrid Road Approach for Durability Loads Prediction. SAE， 2005- 01-0628.