基于CDTire的底盤部件疲勞耐久仿真分析

燕唐，高豐嶺，耿動梁，卜曉兵

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

在整車的研發過程中，零部件的疲勞分析需要樣車試驗場載荷數據采集作為輸入，利用多體動力學模型通過疲勞仿真軟件計算疲勞壽命，這種傳統疲勞耐久研究方法由于仿真結果的時間滯后性造成汽車零部件的優化空間減小、優化成本增加[1]。

解決這一問題就需要將疲勞耐久分析前置，通過虛擬路面技術，將多體動力學模型結合高精度輪胎模型在高可靠性數字路面上進行試驗場工況仿真[2]，提取虛擬載荷譜作為后續疲勞壽命計算輸入[3]。輪胎模型的適用性以及精度是建立虛擬路面技術的關鍵。CDTire輪胎模型是應用成熟的物理輪胎模型之一。由于考慮了輪胎截面信息，CDTire模型精度較高。覆蓋頻率較寬的特征使其能夠滿足操作穩定性、耐久性及NVH等車輛性能的共同開發，可為企業節約研發成本[4]。目前CDTire模型在國外應用較為廣泛，因其輪胎建模要求高，輪胎試驗復雜，國內對其研究尚不充分，CDTire模型在整車虛擬路面仿真應用相對較少。

本文作者是在熟練掌握CDTire輪胎建模方法基礎上，結合多體動力學軟件、3D數字路面技術以及結構疲勞壽命分析方法實現了汽車底盤部件虛擬路面疲勞耐久全流程開發。

1 CDTire建模

CDTire是一種3D非線性物理輪胎模型，其優勢在于適用的頻率范圍寬，可用于汽車操縱穩定性、耐久性、平順性以及整車路噪分析。基于輪胎的靜態(剛度)、穩態(滑移)及動態(凸塊沖擊)等多種工況力學性能測試數據，通過對比測試與仿真曲線的整體趨勢與關鍵特征辨識輪胎參數建立模型，如圖1所示。

圖1 輪胎模型應用流程

CDTire模型包括質量、各層的剛度、阻尼、預緊力及其沿幾何截面的分布權重等100余項參數。文中參考某車型選用的205/50 R 17型號輪胎，輪胎的質量為9.4 kg，標準胎壓為0.23 MPa，標準載荷為650 kg，輪胎工況試驗臺架如圖2所示。

圖2 輪胎試驗臺架

CDTire每一類測試均需要考慮輪胎的預載、胎壓以及速度等多種工況。鑒于輪胎的垂向剛度、側向剛度以及動態沖擊剛度對整車多體動力學仿真結果影響較大，如圖3所示，給出了部分輪胎205/50 R 17的CDTire仿真曲線與試驗曲線對比結果。根據層次結構誤差計算理論，在所有的層次結構中，除了最內部的層次外，其余均為誤差的加權和，輪胎辨識的總誤差(errTotal)是所有測試工況誤差加權和，其計算方法如下：

圖3 205/50 R 17輪胎部分測試與仿真對比結果

(1)

式中：errexp為每個辨識工況組誤差值，ωexp為誤差權重因子。

計算得到的輪胎205/50 R 17 CDTire模型誤差為0.205 1，滿足工程要求。

2 數字路面掃描

虛擬試驗場數字路面是通過車載3D激光掃描儀對試驗場路面進行掃描，然后將掃描的3D數據生成數字路面，建立多條疲勞耐久路面數據庫，作為CAE整車疲勞耐久性能仿真激勵[5]。

虛擬路面使用的車載3D激光掃描儀包括：GPS定位、慣性測試單元IMU、激光儀、照相機、里程記錄儀等設備和相應傳感器。其工作原理是利用激光反射進行測距，掃描頻率在200 Hz以上，掃描的路面特征誤差不超過1 mm實現時時記錄試驗路面信息。掃描完成以后利用軟件對測量的點云數據進行網格化處理，網格的尺寸要求不超過5 mm×5 mm，最后將路面文件格式轉化為多體動力學仿真軟件識別的CRG文件。圖4為比利時實景路面與數字路面對比。

圖4 比利時實景路面與數字路面對比

3 整車建模

整車多體動力學模型由前懸架系統、后懸架系統、轉向系統、動力系統、車身系統、輪胎系統等組成。各子系統模型搭建需要輸入的參數包括：模型的硬點參數、零部件的質量和轉動慣量、襯套各項特性參數、減振器和彈簧的參數、構件連接方式、動力系統參數等[6]。

以某品牌增程式后驅電動SUV為例，采用麥弗遜式前懸架和多連桿形式后懸。根據整車參數信息修改多體動力學軟件模型庫中參數，輪胎采用創建的205/50 R 17 CDTire模型。由于發動機的高頻振動和車身的外形對多體動力學載荷提取影響很小，所以為了簡化模型將發動機和車身由質量點代替，搭建的整車模型如圖5所示。

圖5 整車多體動力學模型

求解式(2)—式(4)微分方程組即可獲取整車實時運動狀態[7]：

(2)

(3)

(4)

式中：L為輪距(設前后輪距相等)；Fxi為各車輪的縱向力；Fyi為各車輪的橫向力；ux為汽車縱向速度；uy為汽車橫向速度；ω為汽車橫擺角速度；δ為前輪轉角；a為前軸到質心的距離；b為后軸到質心的距離；m為汽車總質量；Izz為車身繞z軸的轉動慣量。

在多體動力學分析過程中，由于零部件存在彈性變形，影響整車系統運動學特性仿真精度，因此將前副車架、前穩定桿、前擺臂、后副車架、后穩定桿離散成柔性體。多體動力學柔性體文件創建有3種方法：(1)通過軟件直接創建成柔性體文件；(2)離散梁功能，將桿類構件離散成許多小剛性構件，剛性構件之間采用柔性單元連接，實現柔性化；(3)采用有限元軟件將構件劃分成小單元，生成MNF柔性文件。文中采用第三種方式，首先將零部件進行網格劃分，定義構件的材料和屬性，然后以零部件的硬點位置為主節點，以安裝位置或接觸面范圍內的節點為從節點，創建Rbe2單元。將柔性文件導入多體動力學軟件中，在剛性體和柔性體連接處建立界面和通信器，并且在載荷提取位置建立相應的輸出命令，便于多體動力學仿真載荷輸出。

4 前副車架疲勞仿真分析

4.1 零部件載荷提取

將搭建的整車模型和數字路面導入，進行虛擬路面仿真，根據試驗場規定車速設置仿真模型的行駛速度，求解器的積分類型設置為GSTIFF，最大求解時間步長為0.001 s。

從仿真結果中提取關鍵零部件的載荷信息。根據建立的模型輸出設置，提取零部件六向分力Fx、Fy、Fz和Tx、Ty、Tz。為了驗證模型仿真的準確性，首先對其左右輪心處的載荷進行對比[8]，如圖6和圖7所示整車模型模擬經過30°障礙路段的載荷，由于Y載荷相對較小，只進行Z向和X向載荷對比，載荷譜左右輪心處的頻率和幅值大小相同，兩個輪心載荷值在時域上一致，證明搭建的模型和數字路面仿真準確[9]。

圖6 左右輪心Z向力

圖7 左右輪心X向力

4.2 零部件疲勞仿真分析

由于前后副車架的關聯零部件多，受力也更復雜，風險點多，一旦前后副車架疲勞失效會影響整車的安全性能，所以文中選擇兩者之一的前副車架作為疲勞耐久分析對象。前副車架生成柔性體文件時，為了避免出現焊縫應力集中，焊縫單元與其連接單元均采用四邊形單元。圖8為前副車架有限元模型。

圖8 前副車架有限元模型

采用慣性釋放方法，通過在硬點位置施加各個方向單位力，得到前副車架單位力作用下的應力。根據前副車架的應力和仿真載荷譜，并結合材料的S-N曲線，累加得到單一路面單次循環前副車架的損傷值。根據Miner線性疲勞積累理論[10]，零部件在受到恒定循環載荷時其平均損傷值為1/N，N為載荷循環總次數，當載荷進行n次循環后零部件的總損傷為C=n/N。當零部件受到無規律的載荷時，其總損傷是其單一載荷損傷的疊加之和，表達式為：

(5)

式中:l代表零部件受到不同載荷的次數;ni代表第i種載荷下受到的損傷的次數;Ni代表第i種載荷下能夠承受的損傷總次數;D代表零部件受到總的損傷值，當D≥1時，認為零部件因疲勞損傷造成結構失效。

表1為仿真中耐久路面測試的速度和循環次數。

表1 疲勞耐久試驗路面車速循環次數

前副車架的鈑金疲勞分析結果如圖9所示，其損傷最大在前副車架與擺臂后安裝點，損傷值為0.207 4遠低于1，副車架鈑金疲勞壽命滿足車輛的設計使用壽命。

圖9 前副車架鈑金損傷云圖

前副車架由于是鈑金焊接而成，故需要對前副車架的焊縫進行疲勞仿真分析[11]，如圖10所示，根據損傷結果云圖最大損值為0.966，最大損傷位于前副車架前端焊縫起始位置，由于焊縫起始位置的應力集中比焊縫中間部分所大造成，但其損傷值低于1，滿足設計的使用壽命。

圖10 前副車架焊縫損傷云圖

5 結論

隨著3D輪胎模型精度的提高和虛擬數字路面技術的發展，使得汽車虛擬路面仿真技術的優勢更加突出，使用越來越廣泛。文中根據輪胎試驗工況數據建立CDTire輪胎模型，配合3D數字路面和多體動力學模型，建立完整的底盤部件虛擬路面疲勞耐久仿真流程，并完成某SUV前副車架鈑金和焊縫的疲勞性能仿真分析。該技術路線的有效實施可以實現前置疲勞耐久性能分析方分析，縮短研發周期，降低企業研發的成本。