輕型商用車的VPG技術及應用研究

林明世，李明一，劉志敏，竇德海，季紅麗

摘? 要：為了提高懸架系統零部件耐久分析精度，減少開發周期，降低開發成本，首先本文制定了適用于輕型商用車使用場景的懸架系統耐久分析工況和試驗工況，然后建立整車多提動力學模型，應用虛擬試驗場（DVP）技術，進行時域下的虛擬試驗場道路的整車動力學仿真，并對懸架系統零部件進行載荷分解。最后采用分解后的載荷進行零部件的有限元分析。該方法更真實的反映了整車在實際路面懸架受力情況，考慮因素更加全面，精度更高，分析方法更加有效。

關鍵詞：VPG；輕型商用車；懸架；虛擬路面

中圖分類號：U463.34? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）03-0002-08

The VPG Technology and Application Research of Light Commercial Vans

Lin Ming-shi， Li Ming-yi， Liu zhi-min， Dou De-hai， Ji Hong-li

（ Zhejiang Farizon Commercial Vehicle R&D Co.， Ltd， Hangzhou 325000， China）

Abstract： In order to the durability analysis accuracy of suspension system parts is improved， firstly， the development time is reduced， and costs is reduced， this paper the endurance analysis conditions and test conditions of the suspension system suitable for the use scenarios of light commercial vehicles are established， secondly， the vehicle multi-lift dynamic model is established， and the virtual proving ground （DVP） technology is applied， the vehicle dynamics of the virtual proving ground in the time domain is simulated， and the component load is decomposed of the suspension system parts. Finally， the decomposed load is used for the finite element analysis（FEA） of the component. This method more realistically reflects the force of the suspension of the whole vehicle on the actual road， and the considerations are more comprehensive， the accuracy is higher， and the analysis method is more effective.

Key words： VPG（Virtual Proving Ground）; Light Commercial Vehicle; Suspension; Characteristic Road

1? ? 前言

在現代機械工業中，有80%以上的結構強度破壞是由疲勞破壞所造成的，隨著機械產品運轉速度的提高，疲勞破壞更加普遍[1]。懸架系統承受來自路面的各種交變載荷，其疲勞強度性能對保證汽車產品的安全性和可靠性至關重要[1-2]。懸架系統耐久性能開發也是商用車底盤開發的關鍵，不僅影響車輛的使用壽命，同時還會波及汽車品牌的口碑。商用車的開發周期往往比乘用車的開發周期短，那么輕型商用車不僅要具備的較好的承載性能，同時需要滿足商用車乘用化的發展趨勢，這樣就需要制定一套適用于輕型商用車的工況場景定義，還需采用先進的虛擬仿真技術縮短開發周期，提高懸架耐久開發精度。

以往對于懸架系統耐久開發采用典型工況的加載系數方式對輪心六分立進行加載，并進行懸架系統零部件的載荷分解；另外一種載荷分解方式是道路譜采集，通過對樣車的輪心六分力時域譜采集加載到懸架動力學模型中進行懸架系統零部件的載荷分解。第一種方法分析精度有限；第二種方法需樣車生產后進行或采用相同平臺相近車型進行路譜采集，時間周期較長，成本較高。

為此，國外各大汽車公司開展了汽車試車場耐久性試驗條件下耐久性仿真研究。Arvin Meritor 公司運用虛擬試車場（VPG，Virtual Proving Ground）技術對載貨汽車底盤系統耐久性進行了預報，并用試驗方法對所得結果進行了驗證，該技術得到廣泛應用；MIRA公司運用VPG技術對轎車整車耐久性進行了預報，取得較好效果[3，4]。

同時虛擬試驗場技術通過多體動力學仿真提取虛擬載荷，進而進行疲勞分析，支持車身和底盤結構件耐久性能開發的關鍵技術。面向耐久性能的汽車虛擬試驗場技術是CAE領域的重大技術變革。該技術改變了傳統的疲勞耐久開發對實車試驗的依賴性，而是將真實的車輛簡化并構造動力學模型，只保留維持內力傳遞路徑的底盤結構，同時結合高精度的數字化路面模型和輪胎模型，用于模擬真實車輛在物理試驗場耐久道路上的行駛狀態。通過仿真模擬可得出底盤各連接件之間、底盤與車身連接點之間的力學響應特性，以此力學特性為輸入條件即可開展汽車各零部件的疲勞分析與校核，支持耐久性能開發。

本文通過對比參考本企業乘用車底盤耐久分析標準并結合輕型商用車型的使用工況及場景，制定一套適用于輕型商用車的耐久分析和試驗驗證標準，并采用VPG技術進行虛擬試驗場路面的分析方式對懸架系統零部件載荷進行分解，加載零部件的CAE模型分析，并驗證零部件的疲勞耐久結果。采用該技術精度提升較高，壓縮了試驗驗證周期，節省了車型的開發成本。

2? ? 用戶模型及分析工況

車型定義10年24萬公里整車設計壽命，并結合車輛類型、市場調研及用戶目標制定使用場景的用戶模型，如圖1所示。在制定用戶模型的過程中，歸類了城市道路、一般公路、高速公路和山路等類型的道路里程及行駛車速。同時對比x、y、z三個方向損傷，轉化試驗場工況。由此進行對應于虛擬路面的強度及耐久工況載荷分解。

結合懸架系統是整車耐久設計的1.5倍系數，并對比上述用戶場景及試驗場關聯，制定適用于本企業輕型商用車型的整車強度及疲勞耐久工況，如表1所示：

3? ? 分析流程

建立基于虛擬試驗場懸架系統零部件分析流程規范，首先進行整車動力學模型MBS（Dynamics of Multi-body System）搭建和驗證的流程，如圖2所示。通常模型的驗證需要進行懸架系統的K&C（Kinematic and Compliance）驗證，并進行整車質心和轉動慣量的調配，需與測試相符。

然后建立基于VPG的仿真流程，仿真采用對應車速不同路面及車輛巡跡行駛，并通過adams模型中request進行載荷譜輸出。仿真流程如下圖3所示。若分解后的載荷譜出現異常，則需要核對模型和求解等過程。

耐久性分析即對零部件進行疲勞壽命分析，而疲勞壽命分析的關鍵則是底盤邊界載荷的預測[5]。本文應用分解后的載荷譜，加載到零部件有限元模型進行零部件的疲勞耐久分析，若分析結果不合格，在進行零部件模型的優化，直至分析合格。分析流程如下圖4所示：

4? ? 模型搭建

4.1? ?輪胎模型

輪胎模型是基于虛擬試驗場分析的多體動力學整車模型搭建的關鍵，因為在虛擬試驗場路面輸入多為中高頻振動，對于這種中高頻的輪胎模型行業內多采用Ftire輪胎模型。FTire輪胎模型原理是將胎體與胎面分開建模，分別描述輪胎的結構與接觸問題，其建模核心是將輪胎鋼絲帶束用80～200個集中質量的結點代替，稱為帶束結點，結點之間通過彈簧阻尼連接，以此來反映輪胎的各向特性。FTire輪胎模型首先要對輪胎進行物理臺架測試（如圖5所示），模型辨識過程就是在特定軟件中利用試驗結果對每一個對標工況進行參數辨識與調整，使模型表現出的力學性能與試驗結果一致。本文采用的是輪胎型號215/75 R16的輪胎，辨識輪胎模型特性文件和輪胎模型如下圖6、7所示：

4.2? ?整車動力學模型

建立可應用于虛擬試驗場仿真的整車MBS模型，該整車動力學模型是基于adams軟件進行搭建，如圖8所示。包括車身模型、前懸架模型、后懸架模型、轉向系統模型、制動系統模型、車身模型、動力總成模型和輪胎模型，如圖9，10所示。這里將整車模型考慮為柔性梁結構，如圖11所示，同時副車架也要考慮柔性體，可精確反映實車系統的結構特點。

4.3? ?路面模型

根據不同試驗場道路工況，綜合考慮數據精度與數字化成本，可以選擇激光掃描建模或人工三維繪制建模的方法進行路面數字化過程。最后得到適用于MSC.Adams仿真分析的試驗場虛擬數字路面[6]。

本文基于虛擬試驗場的路面模型，主要通過應用 3D激光測量系統掃描路面，將復雜的耐久路面進行復制，從而逆向建立路面模型。路面掃描設備掃描并處理的路面文件如下，如圖12所示：

路面文件需處理成適用于MSC.Adams仿真分析的試驗場虛擬數字路面，通常為*.rdf或*.crg格式的文件。

CRG格式的路面文件通過MATLAB編程進行展示和修改；數據部分采用二進制保存，以減少文件大小；支持當前主流動力學軟件：MSC.ADAMS，Car Sim，LMS Virtual Lab；同時該格式的文件還適合激光路面數據的保存；以子塊的方式動態導入程序中，導入一塊算一塊，便于節省內存，提高計算效率[7，8]。

5? ? VPG載荷分解

進行上述每個工況下的整車仿真，輸出零部件考察點的載荷譜，并對分解的載荷譜進行準確性評估。頻率域分析可以從自功率譜密度函數體現各種頻率成分能量的強弱。功率譜密度分析實質上是通過功率有限信號均方根的譜密度來描述信號的頻率結構[11]。

信號的功率譜需對自相關函數進行傅里葉變換，

式1中，自相關函數Rx（τ→∞）=0，X（t）是零均值的各態經歷過程函數（μx=0），這時自相關函數可以滿足傅里葉變換條件，即：

式中Sx（ f ）就是X（t）的自功率譜密度函數。

分析每個工況頻域特性，通過檢查頻域信號是否有異常峰值判斷數據的合理性。下圖13位輪心處的x、y、z三個方向的時域轉頻域譜曲線。經檢查無異常情況后，分解輪心以上傳遞路徑的零部件載荷譜。

同時還以扭曲路和鵝卵石為例，對比輪心處的時域譜分析與試驗對比，并驗證輸入及輪胎模型是否有異常，如下圖14～16所示。

6? ? CAE強度疲勞分析及臺架驗證

在虛擬試驗模型的剛柔耦合多體動力學仿真完成之后將仿真計算得到的柔性體模型的模態參與因子函數提取出來作為目標部件有限元模型的邊界載荷條件為疲勞損傷計算創造條件[9，10]。并采用極限工況分解后的載荷對前懸架核心部件如上下控制臂進行CAE分析，同時進行多輪次的分析及優化，直至分析合格，如下圖17-22所示。強度分析合格后在進行基于VPG的控制臂結構的疲勞工況分析。優化分析后得到最優化的上下控制臂結構。

通過對VPG分解的懸架各零部件的載荷力譜，進行基于載荷譜的懸架四通道（加載力分別為側向力、縱向力、垂向力和減振器作用力）試驗臺臺架驗證，驗證的懸架部件包括上控制臂、下控制臂、穩定桿、轉向機、和轉向節。四通道加載力為VPG分解的壓縮載荷譜，臺架試驗等效懸架系統36萬km，零部件等效100萬公里無損壞。

7? ? 路譜采集與VPG分解力對比

通過VPG仿真的輪心六分力和懸架系統零部件的載荷譜與實車試驗場采集譜對比發現，略有差別，下圖24列舉扭曲路和坑洼路的輪心位移和減振器塔頂載荷對比情況。

同時也進行了不同測量點的仿真值和測試值的RMS的比值，如表3。對比表明，實譜與虛譜一致性較好，可用于虛擬譜的臺架加載輸入和強度耐久分析。

8? ? 結論

本文通過VPG技術提升了懸架系統耐久仿真的精度和基于用戶場景工況定義的適用性，同時減少了整車耐久驗證的輪次，降低了路試驗證成本。

雖然VPG仿真方法和精度較比傳統的強度工況和虛擬迭代方式更加合理，但是后續還需做以下方面的研究工作：

1）在多提動力學模型中采用的是臺架特性的減振器外特性輸入，未考慮減振器內特性模型，后續研究建立基于內特性的減振器模型，更加適用于高頻振動的精度提升；

2）動力學模型中襯套模型為解耦后的外特性模型，后續研究采用試驗辨識的襯套模型，對于振動的不同頻率和振幅的輸入精度應更高；

總之VPG 技術的應用使懸架系統耐久開發更加合理、快捷和準確。

參考文獻：

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林明世

畢業于對外經濟貿易大學，工商管理碩士，現就職于吉利商用車集團有限公司，任集團副總裁，全新智能LCV產業化項目第一負責人，已發表論文多篇，申報專利128項，曾獲省級科技成果轉化獎特等獎等榮譽。

專家推薦語

王? ?坤

東風汽車集團有限公司技術中心

整車技術部副總工程師? 高級工程師

本論文介紹了一種基于VPG技術的輕型商用車懸架系統核心零部件的結構強度及耐久仿真設計優化的流程性方法。文章詳細的介紹了結構強度及耐久試驗工況，用戶模型及分析工況、分析流程 、模型的構建、VPG載荷的分解以及基于分解的載荷對懸架系統核心零部件上、下控制臂的結構強度和疲勞的優化仿真分析。本文內容對于研究及運用此方法的讀者，具有一定的開發借鑒和學習價值，同時具有公開發表的價值。