基于整車動(dòng)力學(xué)模型的虛擬迭代技術(shù)分析*

李鵬宇，尹輝俊，官勇健，柳澤田

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基于整車動(dòng)力學(xué)模型的虛擬迭代技術(shù)分析*

李鵬宇，尹輝俊*，官勇健，柳澤田

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

以Adams/Car建立的整車多體動(dòng)力學(xué)模型為載體，并以在試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試得到的輪心加速度、懸架彈簧位移和輪心力作為整車虛擬迭代的實(shí)測(cè)信號(hào)。在FEMFAT.Lab軟件中建立實(shí)測(cè)信號(hào)和輪心位移響應(yīng)信號(hào)間的傳遞函數(shù)。通過傳遞函數(shù)反求出輪心位移，并作為輸入載荷，仿真分解得到車身與底盤連接點(diǎn)動(dòng)態(tài)載荷，作為后期虛擬疲勞試驗(yàn)的必要條件。

多體動(dòng)力學(xué)；虛擬迭代；傳遞函數(shù)；載荷譜

引言

疲勞耐久性分析是汽車安全的重要組成部分，越來越受到車企的重視。傳統(tǒng)的汽車疲勞耐久性分析是實(shí)車在試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行的，這種方法雖然準(zhǔn)確直接，但用時(shí)冗長，耗費(fèi)過多人力物力，影響研發(fā)周期。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展和成熟，通過虛擬仿真技術(shù)來研究疲勞耐久性問題得到廣泛應(yīng)用[1]。而車身疲勞耐久性分析的關(guān)鍵在于車身與底盤連接點(diǎn)的真實(shí)載荷譜，但這些在道路測(cè)試中很難直接測(cè)得。

一種方法是建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型，在虛擬路面中仿真直接提取出車身連接點(diǎn)的載荷譜[2]，該方法用時(shí)短，效率高，但準(zhǔn)確的虛擬路面的建立難度大不易獲得。另一種方法通過六分力傳感器測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量車輛行駛過程中輪心軸頭處X、Y、Z三個(gè)方向的力和力矩，約束車身，然后加載到多體模型上，從而提取出車身連接點(diǎn)處的受力載荷[3]。該方法忽略了車身慣性的影響，對(duì)整車模型的要求高，各種參數(shù)不夠準(zhǔn)確都會(huì)對(duì)車身連接點(diǎn)處的載荷有很大的影響。

本研究是通過傳感器和六分力傳感器測(cè)量系統(tǒng)獲得實(shí)車輪心加速度、懸架彈簧位移和輪心力，在Adams/Car建立整車模型，通過軟件FEMFAT.Lab采用虛擬迭代法仿真得到輪心垂向位移，并以此作為整車驅(qū)動(dòng)載荷，獲得車身連接點(diǎn)處載荷。

1 試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集及處理

1.1 載荷譜采集

為了確定車身的疲勞耐久性符合企業(yè)要求，在試驗(yàn)初期需對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行道路載荷譜提取。在確保試驗(yàn)車狀態(tài)滿足GB/T12534—1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》規(guī)定的情況下，在輪心處安裝加速度傳感器，懸架彈簧處安裝位移傳感器，并將六分力傳感器測(cè)量系統(tǒng)安裝在輪轂適配器和輪輞適配器之間。讓試驗(yàn)車在試驗(yàn)場(chǎng)各種路面上進(jìn)行測(cè)試時(shí)間長度120s并提取載荷譜，分別測(cè)得輪心加速度，懸架彈簧相對(duì)位移，以及輪心軸頭X、Y、Z三個(gè)方向的力和力矩。本文僅抽取比利時(shí)路面作為研究，如圖1為比利時(shí)路面下四輪心Z向加速度載荷譜。

1.2 載荷譜處理

試驗(yàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)包括車輛振動(dòng)本身的有效信號(hào)和無效高頻噪聲信號(hào)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣和濾波處理是必要的。根據(jù)虛擬迭代軟件采樣頻率要求，將原始信號(hào)按256HZ重新采樣，對(duì)40HZ以上的高頻信號(hào)用低通濾波器濾掉，將處理好的采集信號(hào)作為后續(xù)虛擬迭代的目標(biāo)信號(hào)[4]。

2 整車多體動(dòng)力學(xué)模型建模

車輛多體動(dòng)力學(xué)模型由前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前穩(wěn)定桿系統(tǒng)、后穩(wěn)定桿系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)[5]八大系統(tǒng)組成。建模過程在Adams/car進(jìn)行，Ada -ms/car是一種專業(yè)建模仿真軟件并且可以簡(jiǎn)化建模步驟。整車建模過程中必須保證整車質(zhì)量和參數(shù)與試驗(yàn)車在試驗(yàn)場(chǎng)采集載荷譜時(shí)相同。為了簡(jiǎn)化模型，將動(dòng)力系統(tǒng)、以及對(duì)應(yīng)的人員配重集中于一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)上，而懸架的彈簧剛度、減震器的阻力系數(shù)、襯套剛度、硬點(diǎn)坐標(biāo)以及零部件質(zhì)量等都由相關(guān)企業(yè)提供。由于測(cè)得數(shù)據(jù)都為輪心數(shù)據(jù)，并且輪胎系統(tǒng)比較復(fù)雜，輪心垂向位移作為驅(qū)動(dòng)載荷，所以不需要建立輪胎系統(tǒng)，整車底盤模型如圖2所示。

圖2 整車底盤模型

為了提高仿真精度，將車身通過有限元軟件離散成柔性體，調(diào)整車身與底盤連接點(diǎn)處硬點(diǎn)參數(shù)，建立匹配的通訊器，以及request命令，最終獲得整車多體動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。將調(diào)試好的整車模型導(dǎo)出為文本格式即.adm文件，用于之后作為虛擬迭代的載體。

圖3 整車多體動(dòng)力學(xué)模型

3 虛擬迭代分析及載荷譜提取

3.1 虛擬迭代方法

虛擬迭代在軟件Femfat.lab中進(jìn)行，它是一款對(duì)大量數(shù)據(jù)形象化分析處理的軟件Femfat-Lab中有一個(gè)虛擬迭代模塊可以根據(jù)外部測(cè)量數(shù)據(jù)和多體仿真模型 (Simpack and MSC Adams)，通過虛擬迭代的方法，最終計(jì)算零件內(nèi)部載荷[6]。

虛擬迭代模塊主要由6個(gè)部分組成：1 初始化設(shè)置調(diào)用adm文件，2輸入輸出通道信號(hào)的設(shè)置，3白噪聲產(chǎn)生，4生成傳遞函數(shù)，5導(dǎo)入其余的輸入通道，6虛擬迭代仿真。

3.2 虛擬迭代原理

通過試驗(yàn)我們很容易獲得整車的內(nèi)力載荷，如輪心加速度、懸架彈簧位移。但是外力載荷卻很難測(cè)得，如輪心位移。為了準(zhǔn)確方便的獲得整車模型的外力載荷，引入虛擬迭代技術(shù)。而虛擬迭代原理是將整個(gè)多體動(dòng)力學(xué)模型看作一個(gè)系統(tǒng)，然后用一個(gè)假定的白噪聲作為激勵(lì)輸入u(s)，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算得到一個(gè)響應(yīng)輸出y(s)，即可求出整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)F(s)。傳遞函數(shù)表達(dá)式：

F(s)= y(s)/u(s) （1）

可以將F(s)看成線性關(guān)系，并將傳遞函數(shù)的逆函數(shù)F-1(s)由輸出反求輸入。在整車多體模型中，以輪心垂向位移為輸入，輸出項(xiàng)設(shè)為輪心Z向加速度，懸架彈簧的垂向位移，輸入為四個(gè)垂向通道，系統(tǒng)中傳遞函數(shù)也可以用矩陣表示[7]：

式中：主對(duì)角線上的元素H11~H44為車輛左前、右前、左后以及右后輸入信號(hào)與輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)關(guān)系；Hij為第j個(gè)輪心垂向輸入信號(hào)與第i個(gè)輪心響應(yīng)之間的傳遞函數(shù)，i，j = 1，2，3，4。

由試驗(yàn)采集到的路譜ym和逆函數(shù)F-1(s)可求得一組初始輸入載荷：

將該輸入信號(hào)u0作為驅(qū)動(dòng)載荷，作用于多體動(dòng)力學(xué)模型中，計(jì)算得到所有輸出通道的響應(yīng)y0。將y0與ym作比較，如果滿足條件，則u0作為最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于載荷分解求得對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)處的載荷譜，如果不滿足條件，則可以用修正的牛頓—拉斐遜算法，固定F-1(s)進(jìn)行下一次迭代：

將u1施加給多體模型中，得到對(duì)應(yīng)y1與ym比較，滿足條件則u1作為最后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，若不滿足，繼續(xù)迭代，直到y(tǒng)n與ym相符，迭代停止，n次迭代后：

虛擬迭代流程如圖4所示。

3.3 迭代判定及載荷提取

通過前面提到的理論分析以及實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方法建立了系統(tǒng)模型。以經(jīng)過處理的實(shí)測(cè)信號(hào)如懸架彈簧的垂向相對(duì)位移作為目標(biāo)信號(hào)，運(yùn)用虛擬迭代方法，將輪心垂向位移作為輸入信號(hào)在Femfat.Lab中進(jìn)行迭代，直到迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)誤差滿足要求，則停止迭代過程.而迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的比較主要包括時(shí)域和相對(duì)損傷值。時(shí)域主要對(duì)比每次迭代完成后迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的變化趨勢(shì)，以及峰值是否相對(duì)吻合，若不吻合，說明迭代不理想繼續(xù)迭代。若相對(duì)吻合，則比較相對(duì)損傷值，如果相對(duì)損傷值為 1，說明2種載荷對(duì)疲勞的影響是相同的[8]，迭代結(jié)果如圖5所示，可以看出經(jīng)過10次迭代損傷比在1附近趨于穩(wěn)定，結(jié)束迭代。

圖5 相對(duì)損傷圖

圖6 輪心加速度目標(biāo)信號(hào)與迭代信號(hào)對(duì)比

抽取輪心Z方向加速度目標(biāo)信號(hào)和迭代信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ热鐖D6，可以看出幅值相對(duì)吻合較好，曲線趨勢(shì)大致相同。時(shí)域圖滿足要求之后，對(duì)比各通道相對(duì)損傷值圖，如圖7所示。可以看到各輸出通道，懸架彈簧相對(duì)位移4通道（左前1、右前2、左后3、右后4），輪心Z向加速度4通道（左前5、右前6、左后7、右后8）、輪心Z向力（左前9、右前10、左后11、右后12）、前穩(wěn)定桿扭矩1通道13，可以看出相對(duì)損傷值在損傷值1上下徘徊，由于整車多體動(dòng)力學(xué)建模的準(zhǔn)確性以及采集載荷譜的誤差影響，所以相對(duì)損傷值在可接受范圍內(nèi)，綜合分析迭代值精度可以接受。

圖7 各通道損傷值

3.4 載荷提取

虛擬迭代結(jié)束后，獲得輪心垂向位移，作為整車多體動(dòng)力學(xué)模型的驅(qū)動(dòng)載荷. 將驅(qū)動(dòng)載荷加載到整車多體動(dòng)力學(xué)模型中，載荷分解即可得到車身與底盤連接點(diǎn)的載荷譜。利用 Femfat.Lab或者Adam/car均可提取出每個(gè)連接點(diǎn)的受力譜,作為疲勞分析的輸入。此處列舉整車前副車架左側(cè)與車身連接點(diǎn)處X、Y、Z受力載荷，如圖8所示。

4 結(jié)論

文中探索了虛擬迭代技術(shù)提取車身與底盤連接點(diǎn)處載荷譜的方法，試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集，創(chuàng)建整車多體動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)比迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域和相對(duì)損傷值，判斷虛擬迭代的準(zhǔn)確性。不需要固定車身仿真，減少了車身自身慣性對(duì)仿真的影響，從而提高了仿真精度，提取了車身對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)的載荷，該方法與有限元分析及疲勞分析結(jié)合形成一套完整的車身疲勞分析方案，整車開發(fā)中具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 趙婷婷,李長波,王軍杰,等.基于有限元法的某微型貨車車身疲勞壽命分析[J].汽車工程,2011,33(5):428-432.

[2] 曹萍,王衛(wèi)英.微型客車車身疲勞壽命有限元分析[J].機(jī)械科學(xué)與術(shù),2012,31(4):538-542.

[3] 宋亞偉,黃元毅.基于多體動(dòng)力學(xué)模型的汽車底盤動(dòng)態(tài)載荷分析[J].汽車技術(shù),2017(3):12-18.

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[5] 毛顯源.某SUV車多體建模與副車架強(qiáng)度分析[D].上海:上海師范大學(xué), 2013.

[6] 張少輝.基于虛擬迭代的某商用車駕駛室疲勞壽命分析研究[D].安徽:合肥師范大學(xué),2017.

[7] 汪隨風(fēng),武振江,楊建森.基于整車動(dòng)力學(xué)模型虛擬迭代仿真的轉(zhuǎn)向節(jié)載荷譜提取[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,29(11):37-41.

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Virtual iteration technology analysis based on vehicle dynamics model*

Li Pengyu, Yin Huijun*, Guan Yongjian, Liu Zetian

( Department of mechanical and traffic engineering, Guangxi University of Science and Technology,Guangxi Liuzhou 545006）

The vehicle multi-body dynamics model established by Adams/Car, which is used as the carrier, and the wheel center acceleration, suspension spring displacement and wheel center force obtained in the test field are taken as the measured signals of the virtual iteration of the whole vehicle. In FEMFAT. Lab software, The transfer function between the measured signal and the wheel center displacement response signal is established. The wheel center displacement is obtained by the transfer function, and as the input load, the dynamic load of the connection point between the body and the chassis is obtained by simulation decomposition, which is a necessary condition for the later virtual fatigue test.

multi-body dynamics; virtual iteration;transfer function; dynamic load

U467

B

1671-7988(2019)08-70-04

U467

B

1671-7988(2019)08-70-04

李鵬宇（1993-）男，碩士研究生，研究方向：CAD/CAE/ CAM。

尹輝?。?972-）男，教授，碩士，研究方向：車輛關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造。

廣西高等學(xué)校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目（桂教人〔2011〕40號(hào)）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019319）；廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻1348005-12）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資助項(xiàng)目（桂財(cái)教〔2013〕51號(hào) 13-A-01-06）；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（YCSW2017202）；廣西科技大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（GKYC201703）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.022