基于虛擬迭代的某重型商用車駕駛室疲勞分析

孟科委, 王啟棟, 胡金芳, 谷先廣,2

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.太航常青汽車安全系統(蘇州)股份有限公司,江蘇 蘇州 215100)

傳統的耐久性試驗不僅試驗周期長,而且成本高昂,以計算機輔助工程(computer aided engineering,CAE)技術為基礎的耐久性疲勞仿真分析方法與傳統分析方法相比具有周期短、成本低、效率高等優點，已成為汽車結構疲勞分析的重要方法[1-3]。文獻[4]采用對前、后車輪單獨加載六分力信號獲得車身連接處載荷的方法進行客車車身疲勞耐久性能分析,得到理想的分析結果,并與實驗結果進行了對比驗證；文獻[5]利用ADAMS軟件建立車架-駕駛室多體模型,應用虛擬迭代法提取得到某輕卡駕駛室懸置處載荷譜,對駕駛室進行疲勞分析,得到駕駛室的疲勞壽命結果,并通過試驗驗證了仿真結果的正確性；文獻[6]以采集的道路載荷譜激勵多體動力學模型,提取得到車身連接點載荷,通過有限元疲勞仿真分析,預測整車壽命,仿真分析結果與試驗結果一致；文獻[7]綜合虛擬試驗臺技術和虛擬迭代技術對乘用車進行車身疲勞壽命分析,分析結果與實驗情況基本一致；文獻[8]以路試測得的輪心加速度和彈簧變形量等內力載荷為輸入,以建立的多體動力學模型為載體,通過虛擬迭代法得到輪心垂向位移譜,驅動多體模型仿真,得到各部件的載荷譜；文獻[9]在建立車輛虛擬樣機的基礎上,將測量得到的真實道路輪心六分力加載到模型上進行激勵,仿真分析得到車身及零部件疲勞載荷，結果分析表明,該方法在保證建模和路試采集數據精度的前提下具有較好的效果。

目前應用虛擬迭代技術進行重型商用車零部件疲勞分析的相關研究較少。本文以某重型商用車駕駛室為研究對象,根據試驗測得的基本參數建立駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型；再結合路試采集的目標加速度信號應用虛擬迭代[10-11]技術進行駕駛室疲勞壽命分析,預測出駕駛室潛在的疲勞危險部位,并通過室內臺架道路模擬試驗驗證仿真分析結果的正確性；在此基礎上,對危險部件進行結構改進,提高駕駛室的疲勞壽命。

1 目標信號采集

采集準確可靠的目標信號是進行駕駛室疲勞分析的基礎和關鍵。為了確保采集信號的準確性,測試車輛采用掛車、滿載40 t進行測試,同時在駕駛室不同部位放置總重量160 kg的沙袋模擬駕駛室的使用載荷,使試驗車輛整車整備質量、使用形式與目標車輛實際使用方式保持一致。

測量設備及數據采集設備如圖1所示,采集的目標信號有駕駛室與懸置系統連接處的目標加速度信號和駕駛室頂部的參考加速度信號。

圖1 路試車輛和測量設備

定遠試驗場典型強化道路路試情況見表1所列,路試過程中使用GPS設備監測車輛行駛速度。為保證采集數據的準確性,道路測試共進行3次循環測試,對采集的信號進行濾波、去除尖峰值以及重采樣等處理,選取相對理想的數據作為最終路試采集的目標信號數據。以卵石路路況為例,采集的駕駛室左前懸置連接處Z向加速度信號如圖2所示。

表1 典型路面路試參數

圖2 駕駛室左前懸置連接處Z向加速度信號

2 模型建立及目標部位載荷譜提取

2.1 駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型建立

建立的駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型的精度對目標載荷譜的正確提取有著顯著的影響,為保證所建模型的精度,建模所需的基本參數均是通過試驗測試獲得的。

為簡化模型,在符合力學特性基礎上以一個質量集中的剛性小球代替駕駛室進行建模。為模擬實車駕駛室狀態,在駕駛室放置總重為160 kg的沙袋模擬駕駛室的使用載荷,測得的駕駛室質心位置見表2所列,駕駛室轉動慣量見表3所列。

表2 駕駛室質心位置

表3 駕駛室轉動慣量 kg·m2

懸置系統主要由空氣彈簧和橡膠襯套組成。空氣彈簧具有明顯的動態特性,在某一特定工作氣壓下,它的剛度隨著載荷的變化而變化。根據空氣彈簧剛度特性曲線在ADAMS軟件中編寫屬性文件進行空氣彈簧建模,試驗測得的空氣彈簧剛度特性曲線如圖3所示。

圖3 空氣彈簧剛度特性曲線

根據試驗得到橡膠襯套的位移-力關系曲線,擬合計算得到襯套的剛度、阻尼值,在ADAMS軟件中進行賦值完成橡膠襯套建模。以三角臂連接處襯套為例,測得的剛度特性曲線如圖4所示。

圖4 襯套剛度特性曲線

本次分析中的商用車車架尺寸較大,而且駕駛室通過懸置系統主要與車架前段部分相連,對駕駛室動力學響應特性有顯著影響的是車架前段部分,因此在對車架建模時進行相應的簡化處理,截取車架前段部分進行建模,截取位置與參數測量試驗的截取位置保持一致。考慮在實際行駛過程中車架會發生彈性變形,影響駕駛室的動力學響應特性,為了更加精確地建立車架模型,對車架采用柔性體建模。

本文建立的多體動力學模型主要由駕駛室、空氣彈簧懸置、橡膠襯套、車架4個部分組成。建立的駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型如圖5所示。

圖5 駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型

在駕駛室與懸置系統連接處(與實車測試時加速度傳感器安裝位置保持一致)建立4個request作為虛擬迭代的輸出響應信號,為模擬駕駛室在實際行駛中的動態響應；在車架垂向和水平方向上施加7個位移驅動,模擬車輛行駛中的俯仰、橫擺、跳動等工況。

2.2 目標部位載荷譜提取

2.2.1 虛擬迭代原理

虛擬迭代法根據路試采集的目標信號,通過多體模型迭代出整個系統的驅動信號,虛擬迭代原理如下所述。

(1) 以多體動力學模型作為一個系統,輸入白噪聲信號u0(s)激勵系統產生響應信號y0(s),求得系統的傳遞函數為:

(1)

進而求出逆傳遞函數F-1(s)。

(2) 以路試采集的信號作為目標信號yd(s),根據逆傳遞函數F-1(s)計算初始驅動信號為:

u1(s)=F-1(s)yd(s)

(2)

(3) 初始驅動信號激勵多體動力學模型得到響應信號y1(s),因為傳遞函數不能精確表征多體動力學模型,所以目標信號yd(s)與響應信號y1(s)之間存在一定的誤差。

(4) 用修正算法將逆傳遞函數F-1(s)固定,通過(3)式進行反復迭代,直到響應信號與目標信號之間誤差滿足精度要求,停止迭代,即

uk+1(s)=uk(s)+F-1(s)[yd(s)-yk(s)]

(3)

其中:yk(s)為第k次迭代響應信號;uk(s)為第k次驅動信號;k為迭代次數。

2.2.2 虛擬迭代提取載荷譜

虛擬迭代結果的正確性判定主要從迭代得到的響應信號和目標信號的時域對比及其相對誤差均方根RMS值的變化趨勢2個方面進行綜合判定。以卵石路路況為例,駕駛室左前懸置處第9次仿真迭代信號與實測信號的時域對比結果如圖6所示,迭代信號與實測信號的參數對比見表4所列。

圖6 駕駛室左前懸置連接處Z向加速度對比

表4 迭代信號與目標信號參數對比

由圖6、表4可知,迭代信號與實測信號時域對比的幅值及變化趨勢基本一致,參數誤差均在10%以內。

迭代過程中RMS值變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,迭代過程中各通道RMS值一直減小,逐漸趨向于0,在第9次迭代之后達到RMS<0.15,滿足委托方RMS<0.2的精度要求,停止迭代。

圖7 各通道迭代信號與實測信號相對誤差均方根值曲線

基于上述虛擬迭代方法迭代得到各種路況下的位移驅動信號,按照路試順序拼接得到包含全部路試工況的位移驅動信號。使用迭代求得的位移驅動信號激勵駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型進行仿真分析,提取用于駕駛室疲勞分析的載荷譜。

以駕駛室左前懸置連接處為例,分解得到的Z向載荷譜如圖8所示。

圖8 駕駛室左前懸置連接處Z向載荷譜

3 駕駛室疲勞分析

3.1 駕駛室有限元建模

駕駛室有限元模型是疲勞仿真分析的基礎。為達到所建模型在結構強度、力學特性和幾何特性等方面盡可能與實車保持一致,本文建立全內飾駕駛室有限元模型用于駕駛室疲勞分析。

在HyperMesh軟件中對駕駛室有限元模型進行網格劃分和焊接處理。采用四邊形殼單元網格類型進行模擬,網格尺寸為8 mm,在保留結構輪廓形態的基礎上,劃分的網格盡可能具有規則的形狀,網格劃分完成后對網格翹曲度、雅各比、細長比等參數進行檢查,對不滿足要求的網格進行局部精細劃分,提高網格質量,保證應力分析計算精度。焊點采用ACM實體單元進行模擬,焊點直徑為6 mm,焊縫采用殼單元進行模擬,螺栓連接采用rbe2剛性單元進行模擬,在螺栓孔周圍添加washer避免應力分析時產生應力集中,建立的駕駛室有限元模型如圖9所示。應用慣性釋放法[12-13]進行單位載荷下的駕駛室應力分析,為駕駛室疲勞分析奠定基礎。

圖9 駕駛室有限元模型

3.2 駕駛室疲勞壽命分析

駕駛室在行駛過程中受到的沖擊載荷多變,且駕駛室多由鈑金件組成,容易發生變形,因此本文采用局部應力-應變法[14]對其進行疲勞分析,由線性累積損傷理論[15]可知，零件在載荷循環作用下產生的損傷累加值D=1時零件發生疲勞破壞。

根據駕駛室單位載荷下的應力分析結果、虛擬迭代提取的載荷譜、駕駛室材料ε-N曲線進行駕駛室疲勞分析,駕駛室疲勞壽命分布云圖如圖10所示。從圖10可以看出,駕駛室疲勞破壞主要集中在前圍板。

前圍板疲勞壽命云圖如圖11所示,前圍板危險網格單元循環次數見表5所列。

該商用車駕駛室設計壽命里程為強化路面上行駛2.8×104km,試驗場強化道路單次行駛里程為7.3 km,需進行3 836次循環。

由圖11可知,前圍板共有4處壽命不滿足設計要求。后期進行的駕駛室室內臺架道路模擬試驗發現在上述4處附近均出現不同程度的裂紋,仿真疲勞分析結果與道路模擬試驗結果見表6所列。

圖11 前圍板疲勞壽命云圖

表5 前圍板危險網格單元循環次數列表

表6 疲勞破壞處仿真結果和試驗結果對比

從表6可以看出,駕駛室出現疲勞破壞位置的仿真壽命與室內臺架道路模擬試驗壽命相對誤差在20%以內,在合理范圍內。這進一步驗證了駕駛室疲勞仿真分析結果的準確性。

由表5危險網格單元ID和圖11前圍板疲勞壽命云圖可知,前圍板疲勞破壞部位主要集中在截面過渡位置和螺栓孔周圍。

為提高前圍板的疲勞壽命,對危險位置采用增大厚度0.5 mm處理。對重新設計后的模型進行疲勞分析,改進后的前圍板壽命云圖如圖12所示。

圖12 前圍板疲勞壽命云圖

由圖12可知,改進后的前圍板最低壽命循環次數為5 150次,折合成強化道路行駛里程為3.7×104km,滿足強化道路行駛2.8×104km的設計要求,駕駛室疲勞破壞問題得到解決。

4 結 論

(1) 本文建模所需參數均通過試驗獲得,提高了建立的駕駛室-車架剛柔耦合多體動力學模型的精度,為虛擬迭代準確提取載荷譜奠定了基礎。

(2) 應用虛擬迭代方法成功預測出駕駛室疲勞壽命危險部位出現在前圍板上,并通過室內臺架道路模擬試驗驗證了仿真分析結果的正確性，證明了虛擬迭代技術用于重型商用車零部件疲勞分析的可行性和有效性。

(3) 通過對前圍板的疲勞破壞部位進行設計參數改進,提高了駕駛室的疲勞壽命,為后期的實車改進提供了依據,對縮減試驗周期、降低試驗成本具有一定的參考意義。