基于虛擬試驗場的牽引車動態載荷研究

摘" 要：基于Adams軟件的虛擬試驗場動態載荷分解技術在乘用車耐久性能開發領域廣泛應用。對于重卡車型，由于車輛模型復雜、參數有限且測試難度大，虛擬試驗場技術的應用推廣受到限制。搭建某牽引車整車多體動力學模型及虛擬試驗場仿真環境，同時采集試驗場工況下的實車載荷譜數據并與虛擬試驗場動力學仿真分析提取的動態載荷進行對比。使用相對偽損傷比值、頻譜分析等評估比利時、扭曲路、搓板路等典型路面工況下仿真與實測載荷譜數據的差異。結果表明：基于虛擬試驗場的動態載荷提取技術可應用于牽引車車型且可實現較高的精度，是一種獲取試驗場耐久工況載荷譜的有效方法。

關鍵詞：虛擬試驗場；載荷分解；路面模型；牽引車

中圖分類號：U467" " " "文獻標識碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2024）01-0027-07

Research on Dynamic Load of Tractor Based on VPG

WANG Qing-hua1， WANG Li-rong2， CHEN Xiao-hua2， LI Meng-ran1， HUANG Gang1

（1.National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China; 2. Beijing Foton Daimler Automobile Co.， Ltd， Beijing 101400， China）

Abstract： The dynamic load decomposition technology of VPG based on Adams is widely applied in the field of passenger car durability performance development. For heavy truck， the application and promotion of VPG are limited due to the complexity of vehicle models， limited parameters， and high RLDA testing difficulty. The complete vehicle multi-body dynamics model of a tractor and virtual proving ground simulation environment are built based on Adams. The real vehicle load data acquisition of the proving ground events was carried out and compared with the dynamic loads extracted from dynamic simulation analysis of the virtual proving ground to verify the model accuracy and load accuracy. Relative pseudo damage ratio， RMS value ratio， and spectrum analysis were used to evaluate the differences between simulated and measured load data under typical road conditions such as Belgium， twisted roads， and washboard roads. It is proved that The dynamic load extraction technology based on virtual proving ground can be applied to tractor models and achieve high accuracy， which is an effective method for obtaining the load data of proving ground durability events.

Key Words： Virtual Proving Ground; Load Extraction; Road Model; Tractor

隨著高精度路面掃描和輪胎力學模型建模等技術快速發展，基于虛擬試驗場（Virtual Proving Ground）的動態載荷提取技術在車型開發早期階段即可開展，可有效縮短開發周期和試驗成本[1-4]。在乘用車領域，經過長期的實踐，虛擬試驗場仿真技術在乘用車領域已經取得了長足的進步，越來越多的車企將虛擬試驗場技術納入耐久性能開發技術體系。范璐，榮兵等將基于虛擬試驗場提取的載荷用于疲勞分析、懸架臺架耐久試驗等領域，驗證虛擬試驗場載荷提取方法的實用性[5-6]。楊建森等對比了柔性體車身、簧下質量對虛擬試驗場仿真結果的影響，基于虛擬試驗場技術進行了駕駛室疲勞分析及驗證[7-9]。

對于重卡車型，受限于整車道路載荷譜數據及零部件特性測試資源，虛擬試驗仿真技術應用推廣較慢。夏學文等基于虛擬試驗場技術對混凝土攪拌車進行多體模型建模及驗證研究，驗證了建模方法的有效性[10]。近年來，重卡車型開發節奏加快，競爭加劇，如何利用虛擬試驗場技術的縮短開發周期，節約開發成本，成為行業內關注的問題。

本文以6×4牽引車為研究對象，在adams軟件中創建整車多體動力學模型，結合Ftire（Flexible Ring Tire）輪胎模型與CRG（Curved Regular Grid）路面模型，構建了虛擬試驗場仿真環境。結合實際經驗，指出提高模型精度的關鍵點。通過系統級和整車級對標分析，實現了較高的仿真精度，驗證了虛擬試驗場技術在重卡車型上的實用性。

1" " 虛擬試驗場仿真環境搭建

1.1" "路面模型

將試驗場真實路面進行準確的數字化重構，是搭建虛擬試驗場仿真環境的基礎。CRG格式路面模型具有計算效率高，使用靈活等特點，成為虛擬試驗場仿真的首選路面格式[11-12]。

本文使用高精度三維激光掃描設備，對襄陽試驗場強化耐久路面進行掃描，獲取試驗場特征路面點云數據，處理成CRG格式，即可導入adams軟件，用于整車多體動力學仿真分析。

1.2" "Ftire模型

Ftire柔性環輪胎模型是由德國Michael GisPER教授提出的一種物理輪胎模型，具有完全非線性，適應頻率范圍超過120Hz等特點，可用于平順性和在任意路面上進行車輛動力學仿真[13-15]。

通過輪胎臺架試驗開展特定工況的力學特性試驗后，使用cosin/fitting軟件進行模型辨識是Ftire模型辨識的主要方法。受限于軟硬件設施，國內重卡輪胎測試資源較少，本文涉及的Ftire輪胎測試與模型辨識工作主要由美國輪胎測試與辨識供應商完成，Ftire輪胎測試工況如表1所示：

1.3" "整車模型搭建及優化

本文采用adams軟件搭建整車多體動力學模型，在adams軟件提供的卡車模型庫中模型的基礎上，搭建本文涉及的6×4牽引車動力學模型主要包括轉向系統，牽引車前懸架及后懸雙橋懸架，車廂，柔性體車架，駕駛室，掛車懸架等。圖2所示為整車多體動力學模型。

為體現車架變形對車輛動態載荷的影響，本文基于有限元制作了柔性車架，車架附件如電瓶框、油箱等，簡化為質量點通過rigid單元與車架進行連接。求解輸出mnf文件后，在adams flex模塊中對其進行縮減，用PLOTEL單元顯示車架框架，可大幅縮小mnf文件尺寸，進而縮短計算和渲染過程的時間，提高VPG仿真效率。駕駛室模型采用剛體結構，忽略駕駛室本體變形對懸置點載荷的影響。

采用Adams專業板簧建模插件Leaf Spring創建前懸架板簧，可根據板簧圖紙快速完成板簧模型建模，將三片簧簡化為單片簧，通過調整彈性模量參數即可將模型中板簧剛度調整至與實測值一致。

本文涉及到的牽引車后懸為空氣彈簧懸架，車輛根據懸架高度傳感器調整對空氣彈簧進行充放氣，以達到調節剛度和車輛姿態的目的。空氣彈簧的特性曲線通過試驗獲取，本文參考GB/T 13061-2017中試驗方法，獲取多個氣壓下空氣彈簧彈性特性曲線。在進行懸架分析時，根據輸入的“預載”從多條曲線中“插值”得出用于分析的空簧特性曲線。在進行整車仿真分析時，根據靜平衡時空簧載荷“插值”確定其特性曲線，該曲線在整車仿真后續計算時不再變化。

此外，掛車懸架采用板簧懸架，掛車車廂為剛體，使用襯套將掛車與牽引車鞍座連接，通過調節襯套特性，模擬掛車與鞍座連接處的實際約束。

2" " 多體動力學仿真分析

2.1" "模型調試

為確認整車多體模型的正確性，需要依次完成懸架系統KC特性分析，整車水平路面直線行駛及低速轉向行駛仿真分析，確保各部件運動關系正確，特別是轉向系統的建模正確性。

受限于國內試驗資源，僅對車輪前懸架進行了KC試驗。在adams中使用懸架裝配體進行KC仿真并選取與試驗對應的擬合區間計算指標，對比結果見表2，曲線對比結果見表6-8所示。結果表明，懸架剛度、側傾剛度及轉向轉動比誤差均在10%以內。對于其他KC特性指標，主要對比仿真與實測曲線趨勢，如圖9所示，此處不再贅述。

對于尚處于開發早期階段，暫不具備試驗條件的車輛，可按照板簧剛度及穩定桿外形尺寸等設計值進行建模。

車輛后懸架為空氣懸架，后懸空簧“力-位移”特性曲線通常來自2mm/min加載條件下的實測數據或設計值，如圖10所示。由于該加載速度無法充分體現空簧運動過程中的非線性特性，需要對實測數據進行修正，加強非線性特性，修正方法為增加大位移段的曲線斜率，修正后空簧特性曲線如圖11所示。

2.2" "整車載荷譜采集

在襄陽試驗場按照整車結構耐久試驗規范進行整車道路載荷譜采集試驗，載荷狀態為滿載狀態（帶掛車），主要安裝了車輪六分力、軸頭及車架加速度、減振器位移等傳感器，采集通道明細見表3。圖12所示為部分傳感器圖片。

試驗場采集前應對車輛姿態、駕駛室狀態、各車輪輪荷、緩沖塊間隙、油料狀態等信息進行確認，用于模型參數調整，提升整車仿真動態響應精度。

2.3" "對比信號通道與工況

現階段，基于虛擬試驗場載荷分解技術主要用于提取車架及底盤件疲勞載荷，為了將虛擬試驗場仿真提取載荷與實測載荷譜數據更好地進行對比，準確評估模型精度和輸出載荷的精度，需要明確對比信號通道和工況。

選取比利時路、扭曲路路等5個工況進行對標，選取輪心垂向力、輪心加速度、懸架位移等垂向通道作為重點關注的載荷通道，仿真輸出載荷通道與實車采集的載荷的數據指標應控制在一定范圍內，用于確保模型精度，將重點關注的載荷通道用“Y”標注；對于參考通道，其仿真精度有限，通常對載荷通道中的異常值進行排查確認，用“R”標注；對于暫不考慮的載荷通道，用“N”表示。扭曲路工況車速較低，輪心垂向加速度響應水平較低，因此不作為評估指標。工況與信號通道選取結果如表4所示：

2.4" "仿真與實測信號對比結果

本文涉及的耐久工況均為勻速行駛，VPG仿真時，車速取實測數據中車速平均值，速度差異導致仿真輸出載荷數據與實測數據存在一定相位差。另外，VPG仿真時車輛模型行駛軌跡與實車測試時車輛行駛軌跡不完全重合，導致隨機路面部分峰值無法復現。采用相對偽損傷比值、RMS值比值、功率譜密度三個指標對仿真精度進行評估。相對偽損傷比值定義為應用Miner線性累計損傷理論計算出仿真數據與實測數據的偽損傷值之比RMS比值定義為某通道信號仿真與實測輸出時域信號RMS值之比。所涉及計算均使用nCode軟件完成。

在車輛模型與實車載荷狀態接近的前提下，時域數據RMS值可一定程度表征時域信號“能量”，RMS值比值用于評估仿真與實測數據的幅值差異。5個工況共計74個RMS比值統計見表5，其中64個指標在0.8-1.2范圍內，占比約86%。RMS比值指標中最大值為1.52，對應扭曲路工況左前懸架位移通道。最小值為0.68，對應長波路中橋右輪垂向加速度通道。

偽損傷比值用于評估同一載荷通道仿真與實測數據損傷當量關系，比值越接近1，則表明仿真與實測載荷數據的損傷水平越接近。使用nCode軟件PDI模塊進行計算仿真數據與實測數據，設置SN斜率為-3，截距為1e5，仿真與實測數據比值如表6所示。由于重卡的整車多體動力學模型較普通乘用車復雜，影響模型精度的因素更多，因此采用0.3-3.0為損傷比值對偽損傷比值進行統計，74個指標中，73個指標均在0.3-3.0范圍內，指標最大值為4.02，最小值為0.32，說明模型動態響應精度達到預期水平，模型運動狀態與實車接近，該模型分解的載荷可用于后續的零部件疲勞分析。

功率譜密度可用于確認仿真與實測載荷通道的頻率成分，主要用于確認車輛模型簧下振動響應頻率和響應水平與實測數據的一致性。圖13與圖14分別為比利時路與搓板路左前輪心垂向加速度PSD譜，結果表明整車模型的簧下加速度響應水平與實測數據相當且頻率分布與實測數據一致。

對于低速工況如扭曲路可以直接對比仿真與實測數據的時域曲線以評估模型仿真精度。如圖15所示，仿真與實測輪心垂向力基本一致，表明整車模型在扭曲路上運動姿態與實測時狀態基本一致，VPG仿真較好地還原了實車運動過程。

3" " 結論

本文基于adams建立了某6×4牽引車的整車動力學模型，使用襄陽試驗場耐久特征路面模型，搭建了虛擬試驗場仿真環境，闡述了建模過程到系統對標指標再到整車載荷譜數據對標全過程。

選取五個典型工況輪心垂向力、輪心垂向加速度、懸架位移共計74個通道對評估VPG與實測載荷譜數據在RMS值、PSD譜、偽損傷等維度的差異。結果表明VPG仿真結果與測試數據具有良好的吻合性，所述方案具有良好的仿真精度，分解出的載荷譜數據可應用于結構件疲勞壽命計算。

此外，虛擬試驗場仿真技術相較于傳統方法主要特征是效率高。在積累一定對標經驗之后，可逐步減少對實測道路載荷譜數據的依賴，實現在開發早期缺少實測數據的條件下為疲勞分析提供相對可靠的零部件疲勞分析載荷。隨著重卡車型輪胎模型數據庫及道路載荷譜數據庫的不斷積累，虛擬試驗場仿真技術在商用車領域的應用將越來越廣泛。

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專家推薦語

陳建武

東風汽車集團有限公司研發總院研究員級高級工程師

該文進行了全尺寸半掛牽引車VPG仿真技術研究，并達到了良好的模擬精度，值得行業推廣。

王慶華

畢業于重慶大學，碩士研究生學歷，現就職于國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽），主要研究方向為虛擬試驗場仿真。