基于虛擬試驗場的坑洼路動態載荷研究

楊建森，李 欣，王新宇

(中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300)

作為CAE領域的一種新興技術，虛擬試驗場正得到越來越多汽車OEM的認可，成為其產品開發過程中必不可少的技術，例如VOLVO、吉利和上汽等[1-3]。傳統的疲勞耐久研究技術路線需要等待物理樣車的試制，數十個傳感器的安裝、調試以及試驗場現場信號的采集過程使其成本高、周期長，且不能有效應對底盤調校的多種配置方案[4]。近年來，虛擬試驗場技術日漸成熟，可有效地解決傳統疲勞耐久研究技術路線中遇到的一系列問題。

虛擬試驗場技術的成功應用關鍵在于三維數字路面的創建和高精度輪胎模型的開發。車載慣導激光掃描系統可以精準、高效地創建三維數字路面，文件格式主要由CRG和RDF兩種，兼容ADAMS、MOTIONVIEW等多種多體動力學仿真軟件。輪胎六分力試驗臺和帶凸塊高速輪胎測試轉鼓的廣泛應用以及FTire和CDTire輪胎模型的日漸成熟使輪胎的建模精度得到保證[5]。

本文通過激光掃描創建鹽城試驗場T8耐久路CRG格式三維數字路面，通過實測輪胎力學特性數據辨識得到FTire模型，通過有限元模型簡化建立柔性化車身模型，利用整車ADAMS模型對試驗場耐久試驗中極具代表性的工況(坑洼路)進行仿真計算，最后對仿真結果中的輪心六分力、軸頭加速度、減震器位移及其軸向力與實車采集數據進行對比，驗證虛擬試驗場仿真的精度。

1 仿真模型

1.1 路面模型

ADAMS軟件可識別的路面模型格式有多種，常用的是RDF和CRG，其中RDF文件是一種三維等效容積路面[6]。三維等效容積路面由多個空間三角平面相互連接組成，其主要參數包括路面節點編號及數量、節點坐標、構成每個三角平面的節點序號及點集、路面的動/靜摩擦因數等，如圖1所示。

CRG格式通過指定一條路面的中心線和由離散矩形節點組成的柵格的高程信息來定義路面，CRG路面原理簡圖如圖2所示。各矩形的節點在路面橫向方向的間距值可以任意定義，從而能夠靈活地描述各種路面。CRG路面節點分布簡圖如圖3所示[7]。

圖1 三維等效容積路面原理

圖2 CRG路面原理簡圖

圖3 CRG路面節點分布簡圖

CRG文件利于激光數據的保存，其二進制保存數據的方式能夠有效降低數據量，便于在實際仿真過程中隨取隨用，大大提高了仿真效率。本文研究的坑洼路就是對激光掃描后的點云文件進行提取與插值處理后形成的包含路面中心線的CRG格式文件。

本文使用的車載慣導激光掃描系統由激光傳感器、數碼相機、陀螺儀及GPS天線等多部分組成。其中激光傳感器有2個，左右兩個激光傳感器共用同一組GPS信號，使各自掃描的信號可用相同的坐標系疊加在一起，從而提高路面特征的參數獲取精度，如圖4所示。在路面掃描過程中，駕駛員以5 km/h的車速低速行駛，不間斷地獲取車輛經過的每一段路面的點云數據。

圖4 車載慣導激光掃描系統

1.2 輪胎模型

常用的耐久性輪胎模型有FTire和CDTire，本文采用與ADAMS軟件兼容性更好的FTire(flexible ring tire model)模型。FTire輪胎模型是由德國Esslingen大學的Michael Gipser教授于2000年提出的一種柔性環輪胎模型，具備完全非線性及高精度輪胎穩態特性[8]，可對大小為輪胎接地印跡一半的障礙物進行仿真，仿真頻率可達200 Hz，完全滿足坑洼路等耐久工況的仿真要求。

FTire輪胎模型的生成需要較多的參數，為獲取這些參數需要進行輪胎的剛度試驗、穩態力及力矩試驗等一系列試驗[9]。詳細的Ftire輪胎模型試驗方案見表1。

Ftire輪胎模型辨識結果如圖6～9所示，藍色表示試驗結果，紅色表示模擬仿真結果。輪胎動態過凸塊試驗見圖10。

表1 Ftire輪胎模型試驗方案

圖6 輪胎接地印跡辨識結果

圖7 輪胎靜態特性辨識結果

圖8 輪胎面內特性辨識結果

圖9 輪胎面外特性辨識結果

圖10 輪胎動態過凸塊試驗

1.3 整車模型集成及驗證

為兼顧模型精度和仿真效率，本文采用梁單元對白車身有限元模型進行簡化，并生成柔性體文件，然后集成底盤模型生成整車動力學模型，如圖8所示。整車建模參數如表2所示。懸架是汽車底盤的主要構成部分，懸架模型的精度對于后期仿真分析的準確性起著決定性作用，本文通過懸架K&C試驗驗證懸架模型的精度，驗證結果見圖12～14。

圖11 整車剛柔耦合模型

序號參數名稱參數值1外部尺寸/mm4 280×1 785×1 6582軸距/mm25123前/后輪距/mm1 522/1 5304整備質量/kg1 2805滿載質量/kg1 6556質心坐標/mm(-10.6,25.8,1 408.8)7Ixx/(kg·mm-2)4.487E+0088Iyy/(kg·mm-2)1.897E+0099Izz/(kg·mm-2)2.022E+009

圖12 懸架垂向剛度對標曲線(不含輪胎)

圖13 懸架縱向剛度對標曲線

圖14 車身側傾剛度對標曲線

2 載荷譜采集

汽車疲勞耐久開發過程中需要采集20多種工況的載荷譜，包括不同典型路面及不同車速。載荷譜采集之前車輛需要安裝大量傳感器，主要包含車輪六分力、減震器位移、軸頭及車身三向加速度傳感器，以及一些底盤件定制的力與位移傳感器等。圖15為車輪六分力傳感器安裝。

3 仿真分析

3.1 坑洼路仿真

本文以坑洼路為例進行了虛擬試驗場仿真[10-11]。整車模型建立了輪心六分力、輪心三向加速度、減震器位移及其軸向力的信號輸出通道request，整車虛擬試驗場仿真模型(隱藏車身)如圖16所示。

圖15 車輪六分力傳感器安裝

圖16 整車虛擬試驗場仿真模型(隱藏車身)

3.2 相關性分析

以左前輪為例，在時域內進行仿真與實車采集信號的對比，如圖17～21所示，其中，實線為仿真值，虛線為試驗值。仿真結果顯示：無論車輪力還是懸架內部力，無論軸頭加速度還是減震器位移，仿真與試驗結果都有很好的相關性。

圖17 輪心Z向力

圖18 輪心X向力

圖19 軸頭Z向加速度

圖20 軸頭X向加速度

圖21 減震器位移

4 結束語

本文以耐久工況中極具代表性的坑洼路為例進行虛擬試驗場仿真，仿真結果顯示：

1) 虛擬試驗場仿真無論是力、加速度和位移都有較高的精度；

2) 柔性車身、FTire輪胎模型和CRG格式路面的虛擬試驗場仿真方案是有效、可靠的。

虛擬試驗場技術作為CAE領域的一種新興技術，可在汽車開發早期獲取試驗場耐久工況動態載荷，指導零部件設計開發，縮短后期試驗周期，降低開發成本，對汽車產品開發具有積極的參考意義。