虛擬試驗(yàn)場技術(shù)在整車結(jié)構(gòu)耐久性能測試中的應(yīng)用

廖 暉，劉明卓

Liao Hui1，Liu Mingzhuo2

（1.北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

0 引 言

整車結(jié)構(gòu)耐久性能驗(yàn)證大多以整車道路耐久試驗(yàn)和試驗(yàn)室4 通道或24 通道臺架耐久性試驗(yàn)為主，不僅周期長、費(fèi)用高，而且難以快速找出問題原因，大大影響整車開發(fā)周期。采用虛擬試驗(yàn)場技術(shù)進(jìn)行車輛道路載荷采集和分解，已在各大汽車企業(yè)得到充分應(yīng)用，通過仿真分析可以較準(zhǔn)確地預(yù)測疲勞風(fēng)險點(diǎn)位置，對比給定載荷下不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和疲勞壽命差異；對于設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，通過模擬實(shí)際路況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，可以盡早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險點(diǎn)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在減少試驗(yàn)次數(shù)的同時降低試驗(yàn)費(fèi)用，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

1 虛擬試驗(yàn)場技術(shù)

虛擬試驗(yàn)場技術(shù)主要包括以下方面：（1）虛擬路面，通過高精度三維掃描儀對試驗(yàn)場各路況進(jìn)行掃描，將實(shí)際特征路面轉(zhuǎn)化為數(shù)字化路面；（2）虛擬輪胎，對實(shí)際輪胎進(jìn)行多項(xiàng)測試，得到各向剛度、半徑、紋路等全面參數(shù)，形成Ftire（Flexible Ring Tire Model，柔性環(huán)輪胎模型）；（3）虛擬樣車，通過建立整車多體動力學(xué)模型得到4 個輪胎軸頭的6 個方向（平動與轉(zhuǎn)動的x、y、z方向）載荷，并分解至車身各硬點(diǎn)以及底盤與車身連接點(diǎn)，為后續(xù)車身、底盤疲勞強(qiáng)度仿真分析提供支持[1]。通過虛擬技術(shù)得到車身和各部件載荷，為整車結(jié)構(gòu)耐久性能預(yù)測提供方向性指導(dǎo)。虛擬路面和Ftire 模型解決了設(shè)計(jì)初期沒有試驗(yàn)車輛無法獲得有效路面載荷的問題，降低了前期設(shè)計(jì)中的故障發(fā)生率。

1.1 虛擬試驗(yàn)路面

為搭建虛擬試驗(yàn)路面，首先設(shè)置整個實(shí)車試驗(yàn)場的基準(zhǔn)點(diǎn)，保證所有數(shù)據(jù)具有相同坐標(biāo)原點(diǎn)。采用車載式路面掃描系統(tǒng)進(jìn)行路面掃描，其中GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）接收衛(wèi)星定位信號，獲得車輛空間位置、軌跡并校準(zhǔn)測試的時間系統(tǒng)。由于民用GPS 信號誤差較大，所以需通過DGPS（Differential Global Position System，差分全球定位系統(tǒng)）設(shè)備提高車輛運(yùn)行軌跡精度，使精度由1～1.5 m 提高至0.02～0.03 m。布置在車頂?shù)膬蓚€高精度激光掃描儀高速旋轉(zhuǎn)，以100 萬次/s 速率采集數(shù)據(jù)，獲取路面水平及高度數(shù)據(jù)。慣性測試單元用于監(jiān)控整車運(yùn)行姿態(tài)。試驗(yàn)場路面掃描過程如圖1所示。

圖1 路面掃描系統(tǒng)原理

將采集數(shù)據(jù)放入三維路面圖像軟件進(jìn)行處理，對道路場景、路面點(diǎn)云（相對精度位置為1 mm，高度為1 mm）、路面中心線、奇異點(diǎn)（路面有水或路面光線反射不完善等）進(jìn)行處理。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬路面文件，如圖2所示。

圖2 由采集數(shù)據(jù)建立的虛擬路面

1.2 Ftire虛擬輪胎

測量整車使用的輪胎數(shù)據(jù)，包括輪胎基本參數(shù)、反彈數(shù)據(jù)、徑向剛度、凸塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)、側(cè)向力、回正力矩、側(cè)傾力矩、縱向滑移數(shù)據(jù)等，測試臺架如圖3所示。

圖3 測量輪胎參數(shù)

獲得輪胎各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果后，利用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析）軟件進(jìn)行虛擬輪胎擬合，建立虛擬輪胎模型。

1.3 整車多體動力學(xué)模型

整車多體動力學(xué)模型對載荷數(shù)據(jù)影響較大，建立過程復(fù)雜，需要跨部門合作并共享參數(shù)，其中由整車集成部門提供整車質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、整備狀態(tài)硬點(diǎn)等參數(shù)；由底盤部門提供前后懸架緩沖塊及彈簧剛度、緩沖塊間隙、阻尼器等重要參數(shù)；由擬合好的整車虛擬輪胎模型獲得輪胎相關(guān)數(shù)據(jù)[2]。同時，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對整車多體動力學(xué)模型在虛擬試驗(yàn)路面提取載荷有很大影響，簡化模型如圖4所示。

圖4 簡化的整車多體動力學(xué)模型

2 載荷影響因素

虛擬試驗(yàn)場技術(shù)的微小誤差也會影響整車載荷的分解結(jié)果，尤其是建立模型時確定部件質(zhì)心和質(zhì)量的過程。各部件間的連接以及各部件硬點(diǎn)位置需與整車設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，并且各彈性元件的參數(shù)需使用設(shè)計(jì)參數(shù)。影響載荷的因素主要分為3 個方面：整車參數(shù)及建模方法、輪胎型號、懸架彈性元件等相關(guān)參數(shù)。

2.1 整車參數(shù)及建模方法

整車多體動力學(xué)模型主要包括整車硬點(diǎn)、寬度、軸距、輪距、高度、質(zhì)心位置、質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。整車動力學(xué)模型的搭建可采用剛性車身和柔性車身兩種建模方法，如圖5所示。

圖5 剛體車身與柔體車身

圖6 為通過特征路面仿真計(jì)算得到的剛性車身和柔性車身所對應(yīng)的懸架彈簧位移曲線，對比發(fā)現(xiàn)，兩種建模方式的計(jì)算結(jié)果存在差異，柔性車身能夠更全面地反映車身模態(tài)、剛度等特性，仿真計(jì)算時推薦使用柔性車身。

圖6 不同車身的懸架彈簧位移曲線

2.2 輪胎擬合技術(shù)

搭建虛擬輪胎模型，模型參數(shù)對整車載荷有一定影響，需特別注意擬合參數(shù)的精準(zhǔn)化。擬合輪胎模型對整車載荷的影響如圖7 所示。圖7 中4條曲線分別為4 種不同型號輪胎通過凹坑時的仿真過程，得到4 條對應(yīng)的輪心縱向力曲線，對比發(fā)現(xiàn)，型號不同對輪心縱向載荷存在一定影響，其中高寬比越小的輪胎沖擊載荷越大，輪輞直徑越大沖擊載荷也越大，這為輪胎選型提供了載荷數(shù)據(jù)支持。

圖7 輪胎模型對整車載荷的影響

2.3 底盤系統(tǒng)參數(shù)

底盤系統(tǒng)包括各硬點(diǎn)、阻尼元件、彈性元件、轉(zhuǎn)向元件等，各元件對整車的運(yùn)行姿態(tài)和力學(xué)特性影響較大。所建立的懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)的前、后彈簧剛度和自由長度，前、后阻尼器參數(shù)，緩沖塊參數(shù)和整備質(zhì)量間隙，前、后懸架連接襯套剛度，前、后穩(wěn)定桿硬點(diǎn)位置和襯套參數(shù)，以及整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力總成均對整車載荷數(shù)據(jù)有較大影響。底盤懸架模型如圖8所示。

圖8 底盤懸架模型

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對標(biāo)仿真模型

將試驗(yàn)場采集數(shù)據(jù)與仿真模型進(jìn)行對比，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)分布規(guī)律，通過對比輪心載荷、車身載荷、懸架位移等數(shù)據(jù)，分析模型分解載荷和測試載荷的差異，測量虛擬試驗(yàn)場的載荷精度，驗(yàn)證虛擬載荷是否符合試驗(yàn)規(guī)律。只有當(dāng)虛擬載荷精度滿足要求時，才能安全使用所建立的虛擬試驗(yàn)場。

3.1 輪心載荷數(shù)據(jù)對比

對整車輪心六分力載荷系數(shù)的損傷值進(jìn)行對比，以多款實(shí)車試驗(yàn)場特征路面采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的載荷為標(biāo)準(zhǔn)，對比剛體車身、柔體車身以及采用柔體轉(zhuǎn)動慣量的剛體車身3 種模型仿真計(jì)算的載荷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)3 種仿真結(jié)果均達(dá)到試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，且滿足精度要求。

3.2 車身載荷數(shù)據(jù)對比

將試驗(yàn)場測試的車身載荷數(shù)據(jù)與3 種多體動力學(xué)模型進(jìn)行對比，即車身剛體模型、車身柔體模型、采用柔體轉(zhuǎn)動慣量的剛體車身模型，得到采用不同動力學(xué)模型時減振器安裝座的載荷損傷曲線和極值曲線對比結(jié)果，如圖9、圖10所示。

圖9 減振器安裝座載荷損傷

圖10 減振器安裝座載荷極值

對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的車身剛體-柔體轉(zhuǎn)動慣量模型中部件變形結(jié)果更接近實(shí)際情況，綜合考慮仿真精度和計(jì)算效率，在計(jì)算中推薦采用柔體轉(zhuǎn)動慣量的剛體車身模型進(jìn)行整車計(jì)算，可在保證計(jì)算精度的情況下極大提升計(jì)算效率。

3.3 懸架位移數(shù)據(jù)對比

將多體動力學(xué)模型中底盤懸架的位移數(shù)據(jù)與試驗(yàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，二者具有一致性，并經(jīng)過多次數(shù)據(jù)優(yōu)化，使仿真模型的懸架位移誤差滿足結(jié)構(gòu)耐久性能仿真要求。懸架彈簧位移的仿真結(jié)果如圖11所示。圖11（a）～（d）分別為左前、右前、左后、右后4 個懸架彈簧位移的仿真曲線與試驗(yàn)曲線對比，可以看出，各仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試的趨勢基本一致，各峰值位置相同，一致性較高，仿真模型精度滿足要求，可采用該模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖11 懸架位移的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

虛擬試驗(yàn)場技術(shù)使整車開發(fā)在質(zhì)量、成本、周期等方面獲得益處。虛擬試驗(yàn)場技術(shù)基于實(shí)車路試路面，并匹配實(shí)車輪胎參數(shù)和由精準(zhǔn)的實(shí)測彈性元件參數(shù)形成的多體動力學(xué)模型，分解出高質(zhì)量、低冗余載荷數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)工況載荷更接近實(shí)際用車情形。虛擬試驗(yàn)場載荷主要采用虛擬仿真技術(shù)，節(jié)省了前期樣車成本和試驗(yàn)場相關(guān)費(fèi)用，后期將虛擬載荷輸入4 立柱、24 通道等整車試驗(yàn)臺架，使臺架試驗(yàn)取代道路試驗(yàn)，節(jié)省各項(xiàng)研發(fā)費(fèi)用和縮短試驗(yàn)周期。虛擬試驗(yàn)場技術(shù)為底盤設(shè)計(jì)、車身設(shè)計(jì)等工作提供仿真載荷，支持對設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，提前對設(shè)計(jì)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判，減少質(zhì)量問題發(fā)生。