底盤懸架系統(tǒng)自動化仿真方法研究與應(yīng)用

王濤，韓超，朱波，李剛，常海嘯，佟凱旋

中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，吉林 長春 130011

乘用車底盤懸架強度耐久性能開發(fā)一般流程是底盤設(shè)計工程師完成懸架模型設(shè)計，載荷開發(fā)工程師分解懸架硬點的靜、動態(tài)載荷，強度耐久工程師負責(zé)副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)和控制臂等單件結(jié)構(gòu)的強度校核及優(yōu)化改進，試驗工程師進行試驗驗證，試驗驗證首先要開展的是懸架系統(tǒng)靜態(tài)大負荷及單軸耐久臺架試驗，然后進行整車承載系統(tǒng)耐久試驗[1?3]。強度耐久CAE工程師除了要對懸架每個單件結(jié)構(gòu)進行強度耐久分析及優(yōu)化改進外，還要針對底盤懸架系統(tǒng)靜態(tài)大負荷及單軸耐久臺架試驗，建立懸架系統(tǒng)仿真模型，其目的主要有以下3點：1)通過懸架系統(tǒng)仿真，對比分析系統(tǒng)臺架試驗，從而提升懸架系統(tǒng)臺架試驗一次成功率；2)通過懸架系統(tǒng)仿真，可以預(yù)測懸架系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而指導(dǎo)懸架系統(tǒng)“失效鏈”設(shè)計；3)通過載荷位移曲線法，預(yù)測懸架系統(tǒng)各方向的承載能力。然而，由于懸架系統(tǒng)建模涉及彈簧、襯套及限位、局部坐標(biāo)系等眾多因素，模型復(fù)雜，建模周期長，不同工程師建模方法不一樣，導(dǎo)致同一個懸架系統(tǒng)靜強度及單軸耐久仿真結(jié)果一致性差[4?7]。

本文基于TCL腳本語言，將懸架硬點坐標(biāo)及局部坐標(biāo)系方向坐標(biāo)、橡膠襯套剛度、輪心載荷固化為標(biāo)準(zhǔn)模板。先進行梁單元剛度等效的懸架系統(tǒng)自動化建模，基于剛度等效的懸架系統(tǒng)模型，進一步實現(xiàn)副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂和減振器等真實結(jié)構(gòu)的自動化替換，自動調(diào)用輸出信息及邊界條件模板，完成懸架系統(tǒng)強度耐久仿真模型自動化建立。結(jié)合仿真及懸架系統(tǒng)實物臺架試驗，驗證程序的正確性。建立麥弗遜、雙橫臂、E型多連桿、T型臂懸架系統(tǒng)模板庫及強度耐久仿真模型數(shù)據(jù)庫，為底盤懸架系統(tǒng)靜強度及單軸耐久性能前期開發(fā)提供了高效迭代的方法，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 基于TCL語言的程序設(shè)計

1.1 懸架系統(tǒng)傳統(tǒng)建模方法

以E型多連桿懸架系統(tǒng)建模為例，需要手動完成82個硬點坐標(biāo)輸入、24個襯套剛度屬性建立、36個局部坐標(biāo)系建立、54個標(biāo)準(zhǔn)組件名稱 建 立(包 含beam單元、bushing單元、spring單元)和54個屬性建立等，不同工程師建模會略有不同，但手動完成一個E型多連桿懸架系統(tǒng)建模及調(diào)試至少需要10 h，費時費力，更重要的是對于缺乏經(jīng)驗的工程師，懸架系統(tǒng)建模過程相對復(fù)雜，模型的正確性不能保證，建模流程更難以統(tǒng)一。

1.2 TCL程序設(shè)計流程

將底盤懸架系統(tǒng)硬點坐標(biāo)及局部坐標(biāo)系方向坐標(biāo)、襯套及彈簧剛度、輪心載荷固化為標(biāo)準(zhǔn)模板，同時考慮不同懸架類型的拓撲關(guān)系，如E型多連桿懸架系統(tǒng)：減振器可能連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，也可能連接在控制臂上；穩(wěn)定桿連桿可能連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，也可能連接在控制臂上，還可能連接在減振器上，利用TCL循環(huán)控制語句實現(xiàn)一類懸架系統(tǒng)的6種拓撲結(jié)構(gòu)自動化建模。不同懸架類型的邊界條件不同，通過調(diào)用固定模板的方式實現(xiàn)不同懸架系統(tǒng)邊界條件的施加。懸架系統(tǒng)自動化建模的核心思想是基于梁單元剛度等效懸架系統(tǒng)的自動化替換，且替換可以實現(xiàn)單部件單雙側(cè)替換、多部件單雙側(cè)替換。基于TCL腳本語言的程序設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 底盤懸架系統(tǒng)自動化建模程序設(shè)計圖

2 懸架系統(tǒng)仿真模型自動化建立

基于C#語言完成用戶界面開發(fā)，應(yīng)用自動化程序建立懸架系統(tǒng)仿真模型基本方法如下。準(zhǔn)備3個模板：懸架硬點坐標(biāo)及局部坐標(biāo)系方向坐標(biāo)模板、襯套剛度模板、輪心載荷模板，3個模板文件分別作為3個sheet表組成1個excel文件，梁單元等效懸架系統(tǒng)建模時僅需導(dǎo)入excel文件，選擇懸架類型及拓撲結(jié)構(gòu)，程序用30 s左右時間完成梁單元剛度等效懸架系統(tǒng)自動化建模，基于梁單元等效懸架系統(tǒng)，從模型庫中選擇要替換的真實懸架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，如副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、穩(wěn)定桿及連桿等，程序自動完成網(wǎng)格模型替換及相應(yīng)位置梁單元剔除，同時，工程師可以根據(jù)實際分析需求選擇單側(cè)單部件替換、單側(cè)多部件替換、雙側(cè)單部件替換、雙側(cè)多部件替換，滿足不同懸架系統(tǒng)強度耐久仿真需求。程序界面如圖2和圖3所示。

圖2 桿件等效懸架系統(tǒng)建模程序界面

圖3 懸架系統(tǒng)真實結(jié)構(gòu)替換程序界面

在加載過程中，工程師只需點擊加載，選擇輸出工況的類型，即可以完成4類懸架系統(tǒng)各種載荷工況的自動化加載及計算文件的輸出。懸架系統(tǒng)仿真模型替換模式如圖4和圖5所示。

圖4 單部件單雙側(cè)自動化替換

圖5 多部件單雙側(cè)自動化替換

從模板文件準(zhǔn)備到各類懸架系統(tǒng)仿真模型建立輸出完成只需30 min，效率提升90%以上。

3 仿真結(jié)果分析與驗證

3.1 懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

本文僅列舉雙橫臂懸架系統(tǒng)控制臂結(jié)構(gòu)的仿真分析及驗證過程，雙橫臂懸架系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)驗證方法類似。其他各類懸架系統(tǒng)驗證方法與雙橫臂懸架一致。首先，應(yīng)用自動化程序建立懸架系統(tǒng)仿真模型，梁單元剛度等效懸架系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 雙橫臂梁單元等效懸架系統(tǒng)模型

基于梁單元等效懸架系統(tǒng)模型，選擇模型庫中準(zhǔn)備替換的懸架典型結(jié)構(gòu)，如副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、上控制臂、前1號控制臂、前2號控制臂、穩(wěn)定桿及連桿和減振器叉等。本次仿真模型選用前2號控制臂單側(cè)自動化替換，替換后的懸架系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。約束懸架系統(tǒng)與車身連接點，系統(tǒng)模型中同時考慮襯套套筒與控制臂的過盈配合、材料非線性等因素。雙橫臂前懸架系統(tǒng)的靜態(tài)大負荷工況主要考核側(cè)向向內(nèi)、縱向向后以及垂直向上工況，側(cè)向及縱向工況中，控制臂結(jié)構(gòu)并未進入屈服階段，相對安全。垂直向上大負荷工況，輪心載荷54 kN,2號控制臂等效塑性應(yīng)變系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 雙橫臂懸架系統(tǒng)仿真模型

圖8 控制臂等效塑性應(yīng)變系統(tǒng)云圖

結(jié)果表明，2號控制臂與減振器裝配區(qū)域等效塑性應(yīng)變接近材料延伸率6%(節(jié)點編號：17128)，存在斷裂風(fēng)險。

3.2 仿真結(jié)果驗證

3.2.1 傳統(tǒng)單件算法驗證

建立雙橫臂前懸架系統(tǒng)多體動力學(xué)模型，裝配模型包含懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、穩(wěn)定桿系統(tǒng)和懸架仿真試驗臺。輪心施加垂直向上載荷54 kN，檢查基于自動化程序的懸架系統(tǒng)模型與多體動力學(xué)硬點載荷分解結(jié)果的一致性，控制臂外點、內(nèi)點、減振器下點施加多體動力學(xué)分解的載荷，控制臂有限元仿真模型如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)單件算法控制臂仿真模型

2號控制臂有限元模型中同時考慮過盈配合和材料非線性，等效塑性應(yīng)變仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)單件算法控制臂等效塑性應(yīng)變云圖

懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果與單件計算結(jié)果在相同節(jié)點編號處的等效塑性應(yīng)變對比結(jié)果見表1。

表1 仿真結(jié)果對比

由表1可以看出，通過二次開發(fā)程序自動化建立的懸架系統(tǒng)等效塑性應(yīng)變仿真結(jié)果與傳統(tǒng)單件計算結(jié)果吻合良好，最大偏差在3%以內(nèi)，從仿真的角度驗證了程序的正確性。

3.2.2 臺架試驗驗證

搭建懸架系統(tǒng)實物試驗臺，包含夾具、作動器、轉(zhuǎn)向節(jié)、1號控制臂、2號控制臂、減振器、穩(wěn)定桿及連桿、橡膠襯套和連接球頭。向內(nèi)大負荷及縱向向后大負荷工況，2號控制臂未見異常。輪心處施加垂直向上載荷，第一輪試驗：輪心緩慢加載至53.28 kN，控制臂斷裂；第二輪試驗：輪心緩慢加載至54.58 kN，控制臂開裂。實物臺架及兩輪試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 懸架系統(tǒng)臺架試驗及結(jié)果

兩輪實物臺架試驗結(jié)果表明，2號控制臂斷裂位置一致，且同懸架系統(tǒng)及傳統(tǒng)單件計算結(jié)果吻合，從試驗的角度驗證了程序的正確性。

目前，一汽底盤耐久團隊已經(jīng)完成傳統(tǒng)算法，即多體動力學(xué)建模及載荷分解自動化程序開發(fā)。完成麥弗遜懸架系統(tǒng)、E型多連桿懸架系統(tǒng)、T型臂懸架系統(tǒng)仿真與傳統(tǒng)單件算法以及臺架試驗的對比驗證，建立各類懸架系統(tǒng)模板庫和模型數(shù)據(jù)庫，形成完備可靠的懸架系統(tǒng)自動化虛擬驗證方法，用于新開發(fā)車型或者改款車型底盤靜強度及單軸耐久性能前期開發(fā)，仿真迭代效率提高明顯。目前，國內(nèi)外優(yōu)秀的汽車企業(yè)已經(jīng)完成傳統(tǒng)算法，即多體動力學(xué)建模及載荷分解自動化程序開發(fā)，基于有限元模式的懸架系統(tǒng)仿真法與基于Adams多體載荷分解法“同步自動化運行”將極大地提高工作效率，提高底盤產(chǎn)品一次設(shè)計成功率。

4 結(jié)論

1)基于TCL腳本語言，定制硬點坐標(biāo)、襯套剛度、輪心載荷標(biāo)準(zhǔn)模板和實現(xiàn)梁單元剛度等效的懸架系統(tǒng)自動化建模。

2)基于梁單元等效懸架系統(tǒng)，實現(xiàn)副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、穩(wěn)定桿及連桿、減振器等典型懸架結(jié)構(gòu)的自動化替換，根據(jù)仿真需求，進行單部件單雙側(cè)替換、多部件單雙側(cè)替換，自動化完成各類懸架系統(tǒng)仿真模型建立。

3)通過實物臺架試驗及傳統(tǒng)單件算法驗證程序正確性，建立底盤懸架系統(tǒng)模板庫及仿真模型數(shù)據(jù)庫，結(jié)合虛擬迭代及動態(tài)載荷譜分解技術(shù)，用于底盤懸架產(chǎn)品強度耐久性能開發(fā)。

隨著乘用車市場競爭越演越烈，產(chǎn)品的快速更新迭代已經(jīng)成為占據(jù)市場的關(guān)鍵因素。CAE仿真勢必要不斷提升仿真精度、提高仿真效率、增加仿真手段、擴大仿真覆蓋度，底盤傳統(tǒng)的單件算法與系統(tǒng)自動化算法“雙措并舉、相輔相成”，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，在市場競爭中搶得先機。