基于虛擬試驗臺的摩托車車架疲勞壽命分析

藺朝莉,楊 平,彭 勇

(1.重慶電子工程職業學院, 重慶 400054; 2.重慶廣播電視大學 智能制造與汽車學院, 重慶 401520;3.重慶長安汽車股份有限公司， 重慶 400102)

虛擬試驗技術是指利用計算機仿真技術代替實車的道路試驗和試驗室臺架模擬試驗，從而實現目標零部件疲勞壽命的數字化仿真分析與優化設計。在摩托車虛擬試驗方面，部分學者做了不同程度的研究。馬扎根等[1]基于虛擬試驗臺技術，綜合應用試車場道路載荷測量、剛柔耦合多體系統動力學模型和道路模擬虛擬迭代等技術，在轎車開發的結構設計階段實現白車身結構疲勞壽命的有效預估與改進設計。錢立軍等[2]將道路模擬試驗與CAE相結合，采用道路模擬技術復現了實際路面的道路載荷譜，通過建立整車剛柔耦合模型，對汽車下擺臂進行了疲勞壽命分析。杜靜[3]構建了摩托車虛擬樣機環境，并結合某個產品，對影響摩托車振動的主要因素進行了系統分析，通過減小發動機慣性激振力、優化車架動態特性、發動機與車架的柔性聯結等措施，實現了系統動態性能匹配，有效地降低了摩托車的振動。鄒喜紅等[4]利用搭建的多通道道路試驗臺進行了室內車架耐久性試驗。綜上可知，國內對摩托車虛擬樣機技術有一定程度的研究，也將虛擬試驗技術和道路模擬試驗相結合對汽車零部件進行了耐久性分析，但鮮有將道路模擬試驗技術與CAE技術相結合對摩托車疲勞壽命進行研究。

本文將路面實際載荷譜經模擬迭代試驗轉化為ADAMS模型的輸入信號并作為摩托車車架虛擬試驗平臺的激勵，進行摩托車車架壽命的有效分析，可真實模擬路面對摩托車的振動激勵，也能減少后續開發中耐久性試驗的開發周期。

1 多通道道路模擬試驗

1.1 搭建道路模擬試驗臺

多通道道路模擬試驗臺同時考慮了鉛垂載荷沖擊和水平載荷沖擊對車架疲勞壽命的影響。試驗臺總體設計方案如圖1所示。分別在水平方向和垂直方向設置作動器來模擬車架實際受到的水平載荷和垂直載荷沖擊。后軸4通過鉸鏈進行約束，其自由度為1。當水平方向的作動器施加載荷時，可實現繞Y軸的微小旋轉，這能在一定程度上實現該系統的機械解耦。前支架通過導軌可實現車架沿x方向的運動，由于導軌的作用，在水平載荷作用下車架不會側向偏轉。前后兩處的約束使整個車架具有沿x方向的水平自由度、沿z方向的自由度和繞后軸的旋轉自由度(可以實現微量的旋轉)，共3個自由度。通過3自由度的確定實現試驗臺多通道、多軸向的加載方式，從而使車架的受力分布得到更加準確的復現，也使試驗結果更準確。

在試驗臺建立過程中，對各零部件之間的連接約束作了如下處理：① 減振器內外筒在運動中始終保持前伸角不變，所以前減振器內外筒之間采用一滑移鉸鏈連接；② 后平叉只能繞車架上的安裝軸轉動，故可簡化為一轉動鉸鏈，分別連接后叉與車架；③ 發動機通過螺栓剛性連接到車架上，故簡化為一固定鉸鏈。

1.液壓作動器電磁閥; 2.導軌; 3.前支架; 4.后支座; 5，7.傳感器； 6，9.液壓作動器; 8.車架及附件

1.2 基于力-位移耦合控制系統的模擬迭代

車架多軸向多激勵道路模擬試驗系統是一個多輸入多輸出系統，它以水平作動器力信號和垂直作動器位移信號為輸入，兩目標迭代測點為輸出。該系統如圖2所示，其中：a1(t)為水平作動器力輸入信號；a2(t)為垂直作動器位移輸入信號；b1(t)為應變測點1響應信號；b2(t)為應變測點2響應信號。

圖2 車架多軸道路模擬試驗系統

室內模擬迭代試驗前在試驗場進行了道路載荷譜的采集和分析，得到了用于模擬迭代的期望響應信號。根據道路模擬疲勞試驗方法和前期測點響應分析，選取了車架前部和尾部兩測點作為模擬迭代的目標監測點，如圖3所示。迭代前，對車架測點S4和S13的原始載荷譜進行了(0.5～50)Hz的帶通濾波處理，剔除了對疲勞損傷影響較小、重復率較高的低應力小信號分量。對具有相同特征相同路面的載荷譜進行了截取，以免數據過于冗長，影響迭代的精度。

試驗對實際路面不同工況下的載荷譜分別進行了模擬迭代，具體過程為：

首先系統產生一個寬帶數字白噪聲信號C(f)作為液壓作動器的輸入(水平作動器為力激勵，垂直作動器為位移激勵)，生成的白噪聲信號會對3個通道作動器依次驅動，同時采集3個目標測點的響應信號作為輸出，通過傅里葉變換得到D(f)。系統根據輸入C(f)與輸出D(f)求解3個目標點的頻響函數H(f)。用編輯好的目標響應信號和系統頻響函數逆矩陣H-1(f)計算初始驅動信號C1(f)，用C1(t)驅動試驗臺架，通過傳感器回收響應信號d1(t)，進入第1次迭代過程，通過比較計算得到該響應信號與期望信號之間的誤差函數，把該函數乘以某增益值疊加到初始驅動信號上，可以求得第2次驅動的誤差函數，把這次驅動的誤差函數又乘以一增益值疊加到上次迭代的驅動信號上，得到第3次驅動信號，繼續驅動激振器[5-6]。如此循環迭代，直到回收的響應信號與期望響應信號的誤差達到允許范圍內時為止，以最后一次迭代得到的水平作動器和垂直作動器的驅動信號作為室內強化試驗的激勵譜。圖4為綜合路面目標測點期望響應信號與模擬響應信號的時域對比。可以看出試驗迭代的精度較高，能較好地反映實際路況的振動情況。

圖3 模擬迭代監測點

圖4 目標信號與響應信號的功率譜密度比較

為了在道路模擬試驗臺上盡可能全面地復現車架實際行駛道路載荷譜，在設計試驗臺架時，考慮了車架垂直方向駕乘人員和貨物的載荷，因此模擬迭代試驗在車架上采取配質量方案。配質量方案分別為無配質量、配質量30 kg和配質量60 kg，進行比較試驗，其中60 kg的配質量方案與實車試驗時的質量分布趨于一致。通過3種配質量試驗最后得到的迭代誤差收斂曲線，發現配質量為60 kg時，迭代收斂速度最快，迭代精度最高，且得到的模擬載荷譜和實際載荷譜在時域和頻域的變化趨勢也基本一致，幅值和相位也很吻合。

本文選取60 kg配質量試驗獲取的最終激勵信號用于后期的疲勞壽命分析，部分激勵譜如圖5所示。對其他路況和工況下采集的載荷譜按照同樣的方式(60 kg配質量)進行模擬迭代，將反求出的激勵信號按照摩托車實際路面使用比例進行連接，得到車架在實際路面的驅動信號。

圖5 作動器道路模擬激勵譜

2 試驗臺架剛柔耦合模型的建立與驗證

實際道路載荷譜采集試驗獲取了車架部分測點的疲勞載荷譜，而不易粘貼應變片、不便于測試的其他部位也可能出現應力集中，產生疲勞。將多通道道路模擬試驗臺“搬進”虛擬軟件中，以基于實測載荷譜獲取的激勵信號為驅動文件不僅可以全面考核整個車架的應力分布和疲勞壽命，還能優化模型參數，提高模型精度，避免了以往疲勞壽命分析可信度不高的問題。

2.1 剛柔耦合模型的建立

ADAMS/Flex是采用模態柔性來表示物體彈性的。其基本思想是賦予柔性體一個模態集，采用模態展開法，用模態向量和模態坐標線性組合來表示彈性位移，通過計算每一時刻物體的彈性位移來描述其變形運動[7-8]。ADAMS/Flex中的柔性體可采用模態中性文件(MNF)來描述，一旦創建了模態中性文件，就可以將它輸入到ADAMS/View或ADAMS/Solver中，建立相應零件的柔性體。

模態分析用于確定所設計結構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動載荷結構設計中的重要參數，同時也可以作為其他動力學分析問題的起點。本文利用Hyperworks有限元分析軟件對摩托車車架和后平叉做模態分析的同時，生成模態中性文件，并導入MSC.ADAMS多體動力學仿真軟件中建立剛柔耦合的動力學試驗臺仿真模型。試驗臺的零部件包括車架、前支架、導軌、發動機、后平叉、配重質量塊和作動器等，在ADAMS軟件中賦予各零部件和夾具真實的材料參數和約束，以盡可能真實模擬系統的質量分布和力學特性，如圖6所示。

圖6 道路模擬試驗臺仿真模型

2.2 模型的驗證

為使試驗數據和仿真數據具有相當的可比性，在ADAMS虛擬模型中，設置了與道路模擬迭代試驗相同位置測點的Maker點。仿真結束后，可以通過調用ADAMS中獨立的后處理模塊DAMS/PostProcessor查看和分析Maker點的加速度仿真結果曲線。將虛擬試驗和迭代試驗得到的兩個相同測點處的加速度自功率譜曲線分別進行對比，如圖7所示。

由圖7可以看出：虛擬試驗與道路模擬迭代試驗的功率譜圖變化趨勢基本一致，仿真結果和試驗數據最大峰值點對應的頻率基本吻合，這主要是因為虛擬試驗中采用了和迭代試驗完全一樣的激勵信號作為系統輸入，其次在調試試驗臺虛擬模型的過程中對模型進行了反復調整，如適當的改變某些約束，改變構件的質心位置，調整減震器參數等。但仿真結果與試驗數據依然存在差別，主要是因為模型中的減震器參數不夠準確，使摩托車的減震效果和實際有所差別。

圖7 試驗數據與仿真數據的功率譜密度對比

3 車架疲勞壽命分析

將道路模擬迭代試驗獲取的激勵信號作為虛擬試驗臺的最終激勵信號，并通過載荷時間和車速的計算，把激勵信號進行拼接疊加，換算成在虛擬試驗中完成整個試車場試驗路段的虛擬疲勞試驗。將虛擬計算得到的柔性體模型的模態參與因子函數提取出來，包括車架和發動機等連接點的所有約束載荷，將其作為虛擬模型進行疲勞壽命預估的邊界條件。

摩托車車架的疲勞屬于高周疲勞，因此選取名義應力法進行疲勞壽命分析。名義應力法就是采用材料的S-N曲線，經過計算結構危險部位的應力集中系數，結合疲勞累計損傷理論，預估疲勞壽命[9]。該款車架材料主要為Q235A，查詢相關手冊[10]，采用偏安全的存活率50%計算，材料Q235A的S-N曲線表達式為

LgN50= 41.178 2-14.674 5Lgσ

(1)

式中:N50為存活率 50%時的破壞循環次數；σ為應力幅的平均值(MPa)。

將疲勞分析有限元模型、材料S-N曲線、 實際路面等效激勵信號導入MSC.FATIGUE疲勞分析軟件中進行計算，得到車架結構的疲勞壽命云圖，如圖8所示。

圖8 車架疲勞壽命云圖

圖8中，疲勞強度薄弱環節集中在車架后部與懸掛支架的連接處和前部加強管焊接處，這與臺架試驗60 kg配重條件下車架應力分布和應力集中是一致的。車架最小壽命對數為5.61，這是以10為底的對數值，所以實際壽命值為407 380次循環，等效成試驗場上的行駛里程為26萬km左右，安全系數較高，滿足設計的要求。

4 結束語

本文將多體動力學虛擬試驗技術、多通道道路模擬試驗技術和疲勞累計損傷理論等綜合起來，實現摩托車開發過程中車架這一關鍵核心結構件的疲勞壽命預估。該方法與以往單通道道路模擬試驗相比載荷譜更接近實際振動情況，精度更高。虛擬試驗與以往實車耐久性試驗相比，可以大大縮短車架耐久性試驗周期，從而節省費用，是一套可供同行借鑒的、可信度較高的完整的疲勞壽命分析流程，具有較高的工程應用價值。