基于虛擬試驗臺的駕駛室邊界載荷譜研究

鞠道杰，肖 攀，于人杰，鄭國峰

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶市汽車底盤性能工程技術研究中心，重慶 401122）

商用車由于使用環境較為惡劣，在市場上反映出來的質量問題也較多，其中駕駛室開裂問題尤為突出。因此，在汽車產品研發過程中，駕駛室作為商用車幾大總成中的重點研究對象之一，其結構的疲勞耐久性能研究越來越受到重視，而駕駛室疲勞壽命分析的關鍵輸入則是各接口點載荷譜［1-2］。

對于獲取零部件邊界載荷譜的研究，目前主要通過以下方法開展：運用虛擬試驗場技術獲取載荷邊界條件、基于六分力實測信號直接加載約束車身的方法獲取載荷邊界條件、運用物理臺架進行迭代分析載荷邊界條件，直接驗證產品可靠性。

基于虛擬試驗場技術的載荷分解，不僅需要通過道路掃描建立高精度的三維數字路面，還需建立精確的帶輪胎、懸架的整車多體動力學模型，讓其在虛擬試驗場進行循環仿真，從而提取關鍵部件接口點的載荷譜。榮兵等［3］、Sridhar等［4］對該技術進行了詳細闡述及應用研究，在前期路面掃描及重構、輪胎測試及參數辨識等方面投入大量時間成本及人力成本，目前在乘用車上得到應用，但在商用車領域還未得到較好應用。

基于六分力獲取載荷的方法將試驗場采集到的六分力信號直接加載到整車軸頭位置，通過采集到的試驗信號激勵模型獲取載荷譜［5］。該方法為了使六分力信號直接加載于多體模型順利仿真，需要進行車身約束或用剛度較小的彈簧約束車身，與實際車身工作狀態無約束有些出入［6］，因此利用該技術手段分解獲取的載荷較實際偏大。

基于物理臺架分析零部件邊界載荷譜的方法首先對物理樣車進行試驗場載荷譜采集及數據處理，然后根據物理樣車進行工裝設計開展物理臺架迭代分析。該方法可適用于后期產品驗證階段，但在產品設計階段采用該方法將大大增加產品設計輪次及成本，因此還需將CAE分析技術引入產品開發設計過程中，以便縮短產品開發周期。

目前，大多數企業運用CAE技術對零部件載荷譜的研究都是基于整車多體動力學模型開展［7］。在建立整車多體動力學模型時，不僅需要準確的硬點坐標、彈簧剛度、襯套剛度、阻尼曲線等彈性元件參數，各零部件的質心、質量及慣量對模型精度也有較大影響。對于商用車來說，整車級別多體動力學模型涉及參數較多，而往往主機廠也無法提供全部建模所需參數。由于本身物理結構非線性度高，載荷傳遞路徑復雜，因此，對于駕駛室載荷譜的研究，建立整車級別多體動力學模型就顯得不適，而且路面激勵至駕駛室傳遞路徑較遠，若整車模型中懸架系統建模不精確，整車簧下質量、慣量不夠準確，則最終基于整車模型的載荷分解會使得駕駛室邊界載荷譜有較大誤差［8］。因此，本文中基于零部件虛擬試驗臺的思想進行駕駛室載荷譜研究，技術路線如圖1所示。該方式參考物理臺架迭代分析的方法，建立所關心駕駛室結構區域的多體動力學模型，將虛擬試驗臺與實測路試信號相結合，通過等效迭代復現的技術手段模擬駕駛室的物理臺架迭代過程，繼而分解獲取駕駛室邊界載荷譜。

圖1 技術路線框圖

1 虛擬試驗臺迭代原理

虛擬試驗臺迭代原理同物理臺架迭代原理一致，都是通過遠程參數控制RPC（remote parameter control）技術來模擬試驗部件在道路上的實際使用載荷［9］。臺架迭代的本質是已知系統及輸出求輸入的逆問題。根據試驗場采集內部響應信號及系統逆傳遞函數，迭代獲取系統外界等效臺架位移激勵，最后運用該等效激勵驅動試驗臺，分解獲取目標部件邊界載荷譜［10］。迭代原理如圖2所示。

圖2 迭代原理框圖

創建白噪聲信號unoise（t），驅動系統獲取白噪聲響應信號ynoise（t），通過輸入及輸出進行系統識別 G（s）：

結合試驗實測信號yDesired（t）及系統逆傳遞函數 G-1（s），迭代獲取系統第1次等效激勵 u1（t）為

將第1次等效激勵u1（t）用來驅動系統，獲得系統第1次響應 y1（t）為

由于實際物理樣車系統G0（s）存在較高的非線性，與基于虛擬試驗臺計算獲取的系統傳遞函數會有一定誤差，因此系統第1次響應信號y1（t）與試驗實測信號yDesired（t）也會有一定誤差：

此時，需反復進行迭代修正外界驅動信號，通過對比響應信號與試驗實測信號來不斷修正參數因子α，直到二者滿足迭代精度要求為止。

式中：un+1（t）為第 n+1次驅動信號；un（t）為第n次驅動信號；yn（t）為第n次響應信號。

2 駕駛室-車架虛擬試驗臺

2.1 車架模型處理

路面激勵經車輪及板簧懸架傳遞給車架，車架再將激勵經駕駛室懸置系統傳遞給駕駛室，因此，在單獨研究駕駛室邊界載荷譜時，將車架一并考慮在內作為駕駛室等效激勵輸入的載體。為更好地描述駕駛室-車架虛擬臺架模型，考慮車架大變形及剛度影響等因素，將車架進行柔性化處理能更精確地反映駕駛室的動態響應過程。該型商用車駕駛室采用四點全浮式懸置系統支撐在車架前段，對于駕駛室懸置系統最直接的激勵就是車架前段。為了建模的簡便性，將車架進行分段處理，以傳動軸支撐橫梁為界對車架進行分割處理，耦合分割后的所有節點，以保證分割后車架前段剛度變化不大，如圖3所示。采用模態綜合疊加法對半車架有限元模型進行模態分析，生成MNF文件用于柔性體建模。關于車架有限元建模及模態分析在此不贅述。

圖3 半車架有限元模型示意圖

2.2 虛擬臺架模型

依據實車拓撲結構關系進行部件創建與拓撲關系連接。其中，硬點參數通過整車數模測量獲取，并以集中質量代替駕駛室，將駕駛室質心位置、駕駛室含試驗配載狀態質量、轉動慣量賦予該質量剛體。除此之外，懸置系統中彈性元件的剛度及阻尼特性將決定模型的非線性度，直接影響虛擬臺架精確程度，因此通過如圖4所示振動臺分別對各彈性元件進行剛度測試，并將試驗獲取的剛度曲線應用于所建虛擬臺架模型中。在應用各彈性元件曲線及創建等效位移激勵時，應遵循各元件在整車坐標系中的方向。

圖4 襯套剛度試驗振動臺

在車架板簧吊耳及卷耳位置分別施加4個Z方向隨機位移激勵作動器，模擬駕駛室垂向、俯仰及側傾受力特性。在車架縱向第一橫梁處，施加1個X方向隨機位移激勵，模擬駕駛室縱向沖擊（加速及制動等）受力特性。在車架同側位置施加2個Y方向隨機位移激勵，模擬駕駛室橫向及橫擺受力特性，最終搭建形成商用車駕駛室-車架剛柔耦合虛擬臺架模型［11］，如圖5所示。將虛擬臺架進行靜平衡分析，調整彈簧預載至設計值。

圖5 駕駛室-車架剛柔虛擬臺架模型示意圖

3 實車信號采集及數據處理

3.1 信號采集

駕駛室實車路譜采集選擇在國內某試驗場強化耐久試驗道路進行。采集路面包括搓板路、扭曲路、小圓凸起路、魚鱗坑、比利時等典型耐久強化路面。

為在虛擬臺架中對迭代信號進行對標分析，在駕駛室懸置系統主被動端分別布置1個三向加速度傳感器，駕駛室地板及車頂各布置1個三向加速度傳感器，懸置主被動端間各布置1個拉線位移傳感器，傳感器布置示意圖如圖6。布置傳感器時，加速度傳感器嚴格參考整車坐標系，拉線位移傳感器要求與彈簧平行安裝，主要采集通道如表1所示。

圖6 傳感器布置示意圖

表1 主要采集通道

3.2 數據處理

3.2.1 載荷譜預處理

為便于后續針對單個強化路面下駕駛室載荷譜研究，需對載荷譜進行路面分割。

需特別指出的是，采譜過程中，在某些路面工況下商用車試驗車速較低，要同時兼顧前后軸車輪均駛出測試路面進行工況分割，如圖7所示。在實際路試試驗過程中，難免會出現外界干擾等影響，導致采集信號的失真、干擾等現象，這些錯誤成分將影響迭代時的收斂性，因此需要對采集信號進行預處理，以減小干擾信號對后續結果的影響，包括對采集信號進行去毛刺、去除信號趨勢項、修正信號漂移、信號平穩性檢測等［12］。

圖7 路面工況分割示意圖

在試驗過程中，為復現試驗路譜激勵的幅值，選擇較高的采樣頻率1 024 Hz進行數據采集。在疲勞分析中，主要考察中低頻路面，依據采樣定理，采樣頻率大于2倍基頻時就能滿足采樣要求。但是，疲勞分析中所關注的是時域信號的波峰與波谷，若采用2倍基頻進行重采樣時仍無法描述載荷譜的波峰與波谷，對后續疲勞壽命分析將有影響，因此需要提高重采樣頻率。選擇軟件分析中運用較為廣泛且可以全覆蓋路面2倍基頻的頻率256 Hz進行重采樣。

3.2.2 載荷譜樣本篩選及等效

試驗場耐久路試是對特定工況的多次循環，而載荷譜采集僅能采集有限的樣本量。為使后期分析利用的樣本數據更具代表性，通常采用Rossow抽樣原則（50%存活率）進行相應的樣本篩選，確保每一路況都包含唯一路譜數據［13］。對路譜預處理后的數據進行雨流計數，獲得樣本篩選數據的數理統計結果，結合企業制定各疲勞耐久路面的循環數，確定目標總損傷。根據總損傷等效的原則，選取一些典型損傷路面進行路面重組，確定特征路面及其等效循環次數。損傷計算流程如圖8所示。

圖8 等效損傷計算流程框圖

4 載荷譜分解

迭代響應信號應對加載輸入激勵比較敏感，這樣有利于提高信號的信噪比，提高迭代收斂性。結合駕駛室-車架剛柔耦合虛擬臺架模型與試驗實測信號，選擇相關性較高的Z向加速度及懸置彈簧位移為目標信號，其余通道為監測信號。在迭代過程中，不僅要保證目標信號的精度，同時應兼顧監測信號的精度。以小圓凸起路為例，其他路面工況迭代方式與該路面相似，在此不贅述。

關于迭代評價，目前主要集中在時域、頻域以及相對損傷值上。時域與頻域主要是宏觀直接比較仿真值與實測值曲線的趨勢、峰值及相位的吻合程度，若二者差別較大，應繼續迭代［14］。圖9～12為經過9次迭代后，在時域內的目標信號與監測信號仿真值與實測值。通過局部放大圖對比可知，二者在曲線峰值、趨勢及相位上精度大于90%。經頻域轉換后，二者同樣具有相同頻域成分，精度也大于90%。圖13為第9次迭代后響應信號與實測信號相對損傷值。從圖中可知，各通道的相對損傷值都在1左右，滿足0.5～2的行業標準［15］。迭代精度滿足要求，從而可以提取車架等效7通道位移激勵。

圖9 前左位移仿真值與實測值

圖10 車架Z向加速度仿真值與實測值

圖11 車身X向加速度仿真值與實測值

圖12 車身Y向加速度仿真值與實測值

圖13 第9次迭代后相對損傷值

通過分析可知：在進行到第9次迭代后，此時的迭代激勵即虛擬位移激勵等效于小圓凸起路面工況下路面經整車懸架后對車架的激勵，該位移激勵能夠復現試驗場下路面對車架的激勵信息，使得仿真值與實測值對標精度較高，因此將迭代獲取的位移信號作為虛擬試驗臺輸入激勵，進行多體仿真分析。提取駕駛室4個接口點的載荷譜，共計24個載荷譜信息，前左點邊界載荷譜如圖14、15所示。

圖14 駕駛室前左接口點三向力載荷譜

圖15 駕駛室前左接口點三向力矩載荷譜

5 結論

為避免或減小由模型復雜及傳遞路徑較遠引起駕駛室邊界載荷譜分析結果誤差，參考駕駛室物理臺架，提出一種基于虛擬試驗臺的方法。選擇駕駛室局部結構，搭建駕駛室-車架剛柔虛擬試驗臺架模型，結合實車試驗場采集懸置加速度信號及位移信號進行虛擬臺架迭代分析，并從時域、頻域以及相對損傷值對迭代精度進行驗證。分析結果表明，該方法可有效對標駕駛室實際工作狀態，獲取的駕駛室邊界載荷譜可準確反映駕駛室實際工作受力狀態，能支撐后續駕駛室疲勞壽命分析。對于整車其他零部件邊界載荷譜的研究，同樣可參考物理臺架模型，建立所關心結構局部虛擬試驗臺，將CAE分析技術運用到產品開發中，提高分析時效性，為后續零部件結構耐久分析提供滿足實際情況的邊界載荷條件。