汽車懸架柔性管線防扭轉設計方法

何林英，傅嘯龍，張春朋

汽車懸架柔性管線防扭轉設計方法

何林英，傅嘯龍，張春朋

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車柔性管線裝配存在扭轉應力時，管線實際走向與仿真設計走向相差較大，極易與周邊件發生動態干涉，導致柔性管線出現磨損斷裂的情形。文章基于Cosserat彈性桿理論與柔性管線防扭轉設計方法，通過IPS仿真軟件與Catia三維建模軟件，建立了符合車輛動態懸架模型及動態柔性管線模型，并對柔性管線賦予重力、材料及相位角，且與懸架運動相關聯，通過傳感器與三維掃描儀掃描的實車管線走向進行對比，驗證該方法準確性。結果顯示，采用基于IPS軟件柔性管線防扭轉設計的方法，柔性管線在后懸架上極限、設計狀態、下極限等位置走向與實車管線走向基本一致，走向重合程度分別高達85%、88%、92%，驗證了這一方法的準確性。該方法可有效避免懸架動態柔性管線存在扭轉動態干涉情形，減少汽車懸架柔性管線布置與驗證時間，降低開發成本，對汽車行業懸架動態柔性管線布置與驗證具有一定的指導意義。

扭轉應力；Cosserat彈性桿理論；IPS軟件；動態柔性管線；動態干涉

前言

汽車懸架區域的柔性管線主要為制動軟管、卡鉗線束與輪速線束等柔性管線，懸架區域的柔性管線在車輛行駛過程中起到不可或缺的作用，車輛一旦出現制動軟管磨損失效、線束磨損等情況，車輛安全與行人安全將失去保證[1]。

隨著計算機軟件能力的快速發展，數字化仿真技術軟件已成功應用到汽車行業中[2]。近些年，部分學者與行業工程師逐步使用CAE有限元軟件進行汽車管線的高精度建模與分析，模擬柔性管線受力時的彎曲扭轉狀態以及拉扯應力。國外ARBIND等[3]人采用最小二乘有限元模型對不可拉伸與剪斷的Cosserat桿進行了瞬態分析。CAO等[4]人根據Cosserat熱彈性桿的動力學方程，延展出簡單Cosserat桿模型。國內上海汽車集團股份有限公司技術中心衛聰敏、張三磊等[5]人基于 Cosserat 彈性桿理論，并以某轎車的制動軟管為例進行建模與動態仿真分析，通過實車測試結果驗證管線仿真結果的有效性。廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院傅嘯龍、王推勝等[6]人提出了汽車前后懸架動態柔性管線模型建立與驗證方法，通過IPS柔性管線仿真軟件建立了汽車懸架區域柔性管線動力學模型，通過與實車管線走向進行對比分析，驗證了方法的有效性，并在此模型上分析了柔性管線的受力情況、運動包絡。中車唐山機車車輛有限公司朱東偉、王勻、郭玉亮等[7]人基于柔性管線分析理論與IPS仿真軟件對軌道車輛跨接線束進行工業路徑解決方案集成設計，分析驗證了軌道車輛中柔性線束基于IPS軟件設計的可靠性。

但以上方法只對車輛的柔性管線進行了管線動態走向，受力的仿真分析，而如何保證柔性管線在實際不產生扭轉變形，達到與仿真設計一致性的需求，并沒有提及。針對該問題，本文基于Cosserat彈性桿理論，通過IPS仿真軟件與Catia三維建模軟件，建立了符合汽車動態懸架模型及動態柔性管線模型，并對柔性管線賦予重力、材料、相位角，且與懸架運動相關聯，并基于IPS軟件提出柔性管線防扭轉設計的方法，通過傳感器與三維掃描儀掃描的實車管線走向進行對比，驗證該方法準確性。

1 方法

1.1 Cosserat Rod理論

Cosserat 彈性桿理論適用于細長柔性管線的拉伸、剪切、彎曲及扭轉變形的工況。Cosserat 彈性桿理論認為細長的柔性體，在運動受力時，柔性體的幾何形態由中心線的移動與截面沿中心線的轉動所體現，即長度方向受力變形大于其他兩個方向的尺寸（橫截面），同時假設橫截面始終是剛性平面的模型，且物理特性等效為均質，應力與應變滿足線性本構關系。

圖1 柔性管線空間位姿描述

柔性管線的空間位姿需要建立多個坐標系[5]，如圖1所示，在柔性管線的中心線上取點0作為坐標原點建立弧坐標，且以空間中一固定點為原點建立參考坐標系?，原點點到空間任意點的向量為，曲線上任意點可定義依附于與曲線的右手坐標系?，成為Frenet坐標系[7]。其中：和分別為該點處切線方向和法線方向的單位矢量，矢量=×。在點建立與剛性截面顧臉的主軸坐標系?，各坐標的單位矢量為1、2、3，其中軸與點處的切線重合，主軸坐標系軸與Frenet坐標系軸的夾角為，為截面的扭轉變形。

利用超彈性本構關系，得到力和力矩矢量關系為：

在準靜態下，加入邊界條件，力與力矩平衡方程為：

式中：k為線密度、為重力加速度、為中心線長度的弧度。從而獲得管線的空間位姿、受力與變形情況[9]。

2 建立仿真模型

2.1 建立IPS動態仿真模型

IPS仿真軟件基于Cosserat Rod理論，通過設定管線的材料屬性、空間位置與受力情況，模擬柔性管線在運動過程中的運動走向，應力應變，可實時查看柔性管線在各種工況中的實時測量值及失效風險。

在Catia軟件搭建好汽車后懸架運動模型后，將懸架運動軌跡導入IPS軟件中，隨后將懸架區域的制動軟管、卡鉗線束等柔性管線與懸架運動相關聯，并且賦予制動管與卡鉗線束材料參數，相關材料參數如表1所示。

表1 柔性管線材料參數

柔性管線材料參數制動軟管卡鉗線束 彎曲剛度1/Nm20.014 3440.022 702 彎曲剛度2/Nm20.014 3440.022 702 拉伸剛度/(N/mm)2 804134 720 扭轉剛度/Nm20.204 0270.011 929 長度質量/(kg/m)0.0850.133 87 外徑/mm1011

2.2 柔性管線防扭轉方法

汽車大多數行駛時懸架都是處于小跳動或無跳動狀態，即懸架處于設計位置。但實際裝配過程中，懸架是處于下極限狀態進行制動軟管無扭轉的裝配，因而懸架的柔性管線應在二維圖紙上保證首尾兩端呈現一定角度，保證柔性管線在懸架設計位置時處于無扭轉的狀態。圖紙上管路首尾兩端的相對角度，稱之為相位角，如圖2所示。

圖2 二維圖紙相位角

因而如何保證實際生產的管線首尾兩端與數模管線的設計值呈現一致的角度則尤為重要。不然柔性管線就會呈現扭轉狀態，與設計狀態相差過大，如圖3所示。

圖3 相位角差異，管路走向較大

首先需要在IPS軟件中將懸架調整到設計位置，隨后將柔性管線調整至放松無扭轉狀態。之后需要將軟件中的重力設置去除，保證軟件中方向無任何受力，并將固定端進行位置釋放，同時將釋放后的柔性管線再次放松，管線會由于應力的釋放發生扭轉，產生相位角，即為拉直狀態的柔性管線的相位角，如圖4所示。將拉直狀態的柔性管線按wrl格式輸出，在Catia軟件中即可測量出首尾兩端相位角。

圖4 IPS軟件相位角輸出

之后管線兩端根據相位角制作成限位結構，保證相位角的角度，限位結構類似圖5所示。

圖5 管線兩端限位結構

相位角仿真設計角度與實際測量角度如表2所示。

表2 相位角數值

仿真數值實際數值 相位角/°7779

3 仿真模型驗證

本文選取柔性管線在后懸架的三個實際位置走向與設計狀態仿真走向進行對比驗證，選取后懸架處于上極限、設計位置、下極限三個位置。

獲取實車管線走向時，后懸需先拆除彈簧，且管線表面粘貼反光點，后懸架分別運動到上極限、設計位置、下極限三個位置，采用三維掃描儀根據柔性管線表面反光點，即可獲取管線在三個位置的實際走向，之后對掃描數據進行平滑處理，獲取實際走向數據，再將該數據與仿真管線走向進行對比驗證。

圖6分別為后懸柔性管線進行平滑處理后，實車管線在后懸架上極限、設計位置、下極限三個位置的走向與仿真設計走向進行對比驗證，綠色管線為實車管線走向數據，黃色管線為仿真管線走向數據。實車管線走向與仿真管線走向高度吻合，數據重合率分別為85%、88%、92%。

4 討論

本文基于Catia與IPS軟件建立了后多連桿懸架運動模型，根據柔性管線的材料參數與相位角，建立了后懸架的動態柔性管線，并根據實車管線在后懸架上極限、設計位置、下極限三個位置的走向與仿真設計走向進行對比驗證，驗證柔性管線防扭轉方法的有效性。車輛管線實車走向與仿真管線走向在上極限位置局部存在些許差異，但總體走向基本一致。存在局部差異的原因是卡鉗線束固定端是橡膠件，橡膠件在受力時會產生形變，但在IPS軟件中，線束固定端按剛體進行建模，受力無法形變，從而導致卡鉗線束局部仿真走向與實際走向存在差異。而制動軟管是由于仿真中管路在首尾兩端發生扭轉形變的位置與實車管路首尾兩端扭轉位置存在差異，仿真中是將制動軟管首尾兩端建立在金屬接頭尾端，而實際上制動軟管有部分長度是接入金屬接頭內部，因而軟管的運動將受到金屬接頭的限制，同時由于制造與裝配誤差，相位角與設計數值也存在一定偏差，從而導致制動管路存在局部走向存在差異。

5 結論

本文基于Catia與IPS軟件建立了后多連桿懸架運動模型，根據柔性管線的材料參數與相位角，建立了后懸架的動態柔性管線，并根據實車管線在后懸架上極限、設計位置、下極限三個位置的走向與仿真設計走向進行對比驗證，驗證柔性管線防扭轉方法的有效性。解決了動態柔性管線存在扭轉動態干涉情形，減少汽車懸架柔性管線布置與驗證時間，降低開發成本，對汽車行業懸架動態柔性管線布置與驗證具有一定的指導意義。

[1] 張立軍.制動管路部分失效時的制動效能分析[J].交通運輸工程學報1998,28(3):12-15.

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[4] CAO D Q,SONG M T,TUCKER R W,et al.Dynamic equations of thermoelastic Cosserat rods[J].Communications in Nonlinear Scie- nce and Numerical Simulation,2013,18(7):1880-1887.

[5] 聰敏,張三磊,王光耀,等.汽車柔性管線運動仿真分析技術及其應用[J].計算機輔助工程2019,28(3):14-17.

[6] 傅嘯龍,王推勝,華波,等.汽車前后懸架動態柔性管線模型建立與驗證方法[C].中國汽車工程學會.北京:2019中國汽車工程學會年會論文集, 2019:1639-1643.

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[9] RUBIN M B. Cosserat theories:shells, rods and points[M].Berlin: Springer,2000.

The Anti-torsion Design Method of Flexible Pipeline for Suspension of Automobile

HE Linying, FU Xiaolong, ZHANG Chunpeng

( GAC, Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

When the torsion stress exists in flexible pipeline assembly of automobile suspension area,which will lead to the simulation shape of flexible tube and wire harness are quite different from the of the real shape of flexible tube and wire harness.And it is very easy to have dynamic interference with the surrounding parts, leading to the wear and fracture of the flexible pipeline.Based on Cosserat elastic rod theory and the anti-torsion design method of flexible pipeline, the dynamic model of automobile front and rear suspension and the dynamic flexible tube and wire harness model are established by Catia and IPS software. The flexible tube and wire harness are endowed with materials and gravity, and are associated with suspension motion to analyze the movement state of the flexible tube and wire harness.The veracity of dynamic flexible tube and wire harness model is verified by comparing the real shape of tube and wire harness scanned by the sensor and the 3d scanner. The results show that the anti torsion design method of flexible pipeline based on IPS software, the shape of flexible tube and wire harness are at the position of the upper limit, the design state, and the lower limit of the rear suspension are basically consistent with the of the real shape of flexible tube and wire harness. The degree of convergence was as high as 85%, 88%, and 92%, respectively.The accuracy of this method is verified.This method can effectively avoid the torsional dynamic interference of the suspension dynamic flexible pipeline, which not only reduces the time for the layout and verification of automobile suspension flexible tube and wire harness, but also improves the work efficiency and reduces the development cost. In particular, it is of guiding significance to the layout and verification of suspension dynamic flexible tube and wire harness in automobile industry.

Torsional stress;Cosserat elastic rod theory;The IPS software;Dynamic flexible tube and wire harness;Dynamic interference

U463

A

1671-7988(2021)24-52-05

U463

A

1671-7988(2021)24-52-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.012

何林英，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院。