基于混合路面加載的車身疲勞載荷預測

宋自力，張 雷，蘆 偉

（安徽江淮汽車股份集團有限公司 技術中心，合肥 230601）

車身是乘用車重要的承載結構件，在汽車行駛過程中受到路面不平的影響，產生交變應力，引起疲勞損傷。車身耐久性如果達不到使用要求，損傷在服役期間累積到一定程度，就會導致部件疲勞失效。在新車研發階段，引入CAE虛擬分析是提升車身耐久性能的重要手段。車身疲勞壽命CAE預測是一項綜合性技術，涉及道路載荷譜采集（Road Load Data Acguisition，RLDA），多體虛擬仿真（Multibodies

1　方法和過程

Simuation，MBS），載荷虛擬預測（LVPT）以及壽命預測（Fatigue Life Prediction，FLP），其關鍵核心是準確獲取車身工作載荷譜[1]。目前獲取方式主要有兩種：全分析法和半分析法。全分析法主要指虛擬試驗場法（Virtual Proving Ground，VPG），在數字試驗場路面上，通過運行整車多體模型獲得車身載荷。這種方法不依托物理樣車和信號采集試驗，完全通過仿真分析預測載荷，因此可以在設計更前期進行方案的耐久性能預測和評估，是未來耐久技術發展的方向，但目前其預測精度較低。半分析法是指采用信號采集與多體仿真分析相結合的手段獲取車身載荷，通過車輪力傳感器（Wheel Force Transducer，WFT）采集輪心道路載荷譜，加載到多體模型分解得到車身載荷。半分析方法對多體模型要求較低，且載荷精度高，是目前車身載荷預測的主流方法。

通常情況下，半分析加載法是將輪心載荷直接加載到約束車身的多體模型中，不考慮簧上運動慣性。這種做法雖然底盤件的載荷結果較好，但車身載荷與實際有偏差[2]。車身無約束能考慮簧上質量運動慣性的影響，但仿真不穩定[3]。為解決這一難題，ZHANG Linbo等[4]提出了引入小剛度襯套，B?CKER等[5]提出混合路面加載?；旌下访婕虞d被認為是目前最佳的車身載荷預測方法，但關于其中詳細實施效果的研究還較少。本文以某商務車為研究對象，介紹了基于混合路面加載車身載荷預測的詳細過程，并對原車型載荷拓展應用到改動車型進行了研究和討論。

1.1　數據采集

道路載荷譜采集就是將車輛輪心所受的隨機載荷轉換為可見的數字信號，讓開發工作者了解車輛工作的外界動態載荷，提供耐久性能開發基礎。采集試驗在某汽車試驗場進行，在Mule車上布置傳感器，按照規定速度通過耐久路。耐久路循環包含許多路況，有比利時路、減速坎、坑洞、扭曲路、卵石路等。不同路況具有特殊的載荷特征，為便于將載荷和路況特征結合起來研究，每段路況載荷進行標記區分。

本研究采集信號包括，24個WFT通道、1個方向盤轉角通道、4個懸架位移通道、4個軸頭z向加速度通道、4個車身z向加速度通道。WFT安裝如圖1a所示，車身加速度安裝如圖1b所示。同時為確定和關聯多體仿真載荷結果，另外采集了減振器阻尼力信號（圖1c）、球鉸縱向和側向力信號（圖1d）以及轉向橫拉桿信號。

圖1　信號采集傳感器安裝

1.2　多體模型

建立整車多體動力學模型如圖2所示，其包含的子系統有前懸架、前穩定桿、轉向、車身、后懸架等，由于激勵位于輪心，所以不包含輪胎子系統。車身載荷預測精度與模型準確性強相關，必須測試建模所需參數，例如襯套剛度、彈簧剛度、減振器速度-阻尼力曲線、限位塊剛度曲線等，參數見表1。由于在耐久路面環境下，部分彈性元件處于大變形和高非線性狀態，因此，測試又有嚴格要求。例如，襯套剛度測試應達到非線性范圍，減振器特性曲線的速度范圍應達到3 m/s。圖3a是減振器阻尼力F-速度v原結果，不滿足使用要求。本次對減振器阻尼力及其位移進行了測量，計算得到F-v曲線如圖3b所示，滿足使用要求?？紤]彈性變形的擺臂等部件用柔性體，剛性部件的質量慣量信息從有限元模型測量。建模完成之后，通過K&C仿真和試驗對比，驗證了模型的準確性。

表1　多體模型關鍵參數

圖2　整車多體動力學模型

圖3　減振器阻尼力-速度F-v曲線

1.3　迭代反求

所謂混合路面[5]加載是指將輪心加載的垂向力替換為垂向位移，與其余五分量載荷結合，由力、力矩和位移混合加載多體模型。由于實際的輪心垂向位移很難測量，所以需要通過反求的方式獲取。圖4是輪心位移反求過程，u為四個輪心位移驅動信號，期望信號ydesired為四個軸頭加速度和四個懸架位移，共包含系統識別和迭代再現目標兩個過程，進行系統識別獲得傳遞函數，再由傳遞函數和期望信號反推出驅動位移。但由于系統的非線性特性，響應和期望信號不可能一次達到一致，需要通過迭代減小誤差，最終獲得準確的輪心驅動位移[6]。以坑洞路為例，最后一步迭代期望信號的仿真與實測之間，相對損傷達到0.5～2.0，如圖5所示，滿足要求，結束迭代。此外，圖5顯示模型監測的多數信號相對損傷也位于0.5～2.0，說明模型精度較高。圖6～7是最終期望信號的仿真與實測時域對比，懸架位移和輪心加速度的迭代結果均與實測非常吻合，說明輪心驅動位移真實準確。圖8～9是監控信號仿真與實測的時域對比，輪心垂向力、車身加速度仿真與實測相位一致，幅值也很接近，說明模型精度高，據此分解得到的車身載荷準確可靠。圖10是反求獲得的輪心垂向位移，由于與路面幾何關聯很大，所以又被稱為等效路形[7]。

圖4　反求過程

圖5　最后迭代相對損傷結果

圖6　右前懸架位移信號仿真與實測對比

圖7　右前輪心加速度信號仿真與實測對比

圖8　右前輪心垂向力仿真與實測對比

圖9　右前塔包加速度仿真與實測對比

圖10　迭代反求獲取的等效路形

2　分析結果

由等效路形和其余五分量載荷共同激勵多體模型，分解就可得到車身載荷譜。輸出的載荷準確與否，可以通過部分載荷的仿真預測和實測比較來判別?？佣绰访嫦?，圖11是左前下擺臂縱向力仿真與實測對比，圖12是右后減振器力仿真與實測對比，可見載荷預測結果與實測能較好吻合，這表明基于混合路面加載預測的載荷精確可信。圖13是提取載荷加載到車身上獲取的一點位置分析應變，與實測的比較結果，相對損傷為1.3，接近標準值1。由圖13可知，兩信號基本吻合，進一步說明了載荷精確。車身約束加載是以往載荷預測的慣用方法，圖14是車身約束和混合路面兩種加載方式下，不同位置的車身載荷偽損傷比值。由圖可知，多數載荷通道的相對損傷大于1，說明車身約束加載預測的載荷結果相對較大，這與車身約束無法自由浮動有關。

圖11　左前下擺臂球鉸縱向力仿真與實測對比

圖12　右后減振器力仿真與實測對比

圖13　車身左前塔包位置的分析和實測應變對比

圖14　兩種不同加載方法預測的車身載荷相對損傷

3　討論

新車研發結束之后，車企一般會相應開發出不同變動型，如三廂變兩廂、車身空間變大、底盤抬高換大輪胎等。這些改型導致結構變化較大，需重新進行車身方案的壽命評估。道路載荷譜采集是一項較為復雜的工作，需要一定時間和費用，而且在開發初期難以提供狀態相符的采集車輛。如果按照正常流程進行改款車的壽命評估很不經濟，且周期較長。如何在不重新采集載荷的條件下，將原車型載荷應用到新車型，快速經濟地完成方案壽命評估呢？

一般來說，影響車身結構耐久壽命的主要是路面z向不平度，位移激勵經輪胎傳遞至輪心，輪心產生z向力Fz和z向位移[3]（等效路形）。以下用簡化的1/4車輛模型進行數值模擬分析，研究原車型載荷轉移到新車型應用的前提條件。圖15是分析模型，其中ms為簧上質量，mu為簧下質量，ks為懸架剛度，cs為懸架阻尼，kt為輪胎剛度，ct為輪胎阻尼，Zb為車身位移，Zu為輪心位移，U為路面不平度。車型改動致使載荷發生變化，一般都是由于車型改動影響了以上參數，因此在同一種隨機路面下激勵模型，通過改變模型參數來研究對結果的影響。

圖15　1/4車輛模型圖

圖16　簧上質量對Fz的影響

圖16是三種簧載質量下的Fz的PSD譜，簧載質量越大，FzPSD峰值越大，這說明車型的簧載質量越大，Fz幅值越大。同樣分析得知，Fz幅值與懸架剛度、簧下質量以及輪胎剛度也均有關系，說明車型參數變化將導致Fz變化。圖17是不同簧載質量下的ZuPSD譜，可知簧載質量對Zu無影響。這說明新車型簧上質量變化雖然會導致Fz改變，但Zu和原車型一致，具有不變量性質，因此原車型的Zu可以應用于新車型的車身載荷預測。圖18是不同懸架剛度下的ZuPSD譜，可見懸架剛度變化對Zu也無影響。圖19是簧下質量對Zu的影響，圖20是輪胎剛度對Zu的影響，可見簧下質量和輪胎剛度的改變，將導致Zu變化，也就是說原車型的Zu無法延用。因此，改動新車型只要不涉及對原車型簧下質量和輪胎的改變，就可以在不重新采集道路載荷譜的條件下，使用原Zu加載到新車型進行車身載荷預測（因為兩者的Zu是一致的），至于其余五分量載荷可以根據軸荷比適當縮放來加載。

圖17　簧上質量對Zu的影響

圖18　懸架剛度對Zu的影響

圖19　簧下質量對Zu的影響

圖20　輪胎剛度對Zu的影響

4　結論

（1）基于混合路面加載能準確進行車身載荷預測。整個過程包含：數據采集、多體仿真、等效路形反求和載荷關聯確認四個部分。使用輪心位移替代垂向力驅動整車多體模型，解決無約束車身動力學仿真不穩定問題。載荷預測結果與實測對比確認，基于混合路面加載的車身載荷預測結果精確可信。

（2）等效路形在一定條件下具有不變量性質，改款車型具有和原車型相似的簧下質量和輪胎，兩者等效路形是一致的。在不重新采集道路載荷譜的條件下，原車型的等效路形以及輪心五分量載荷可以沿用到改款車型用于載荷預測。

參考文獻（References）：

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