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基于实测动态道路载荷谱的车辆疲劳性能设计

2023/9/25    来源:Altair    作者:董国红  李征      
关键字:实测轮心六分力  零部件载荷分解  疲劳分析  
本文建立了一整套车辆从路谱采集到系统/零部件疲劳分析的开发流程,整理了所有相关的试验/建模/分析规范,也积累了丰富的数据库,如车型轮心及各零部件动态载荷数据库、多体建模参数数据库、零部件材料数据库等,为企业后续车辆疲劳性能开发建立的坚实的基础。
1.前言 

       车辆系统/零部件的强度疲劳性能设计是每个车企都必须要优先考虑的内容,传统疲劳性能开发是通过2-3轮样车的实际道路测试进行最终验证,这不仅使得车辆发周期较长,而且需要大量的人力、物力、财力的投入。使用多体虚拟仿真的手段,准确获取各个零部件上的动态载荷,则可以在车辆开发阶段就对其疲劳性能进行预测,进而对结构进行优化,使其满足耐久路试要求。这样就能最大限度缩短车辆开发周期,降低车辆开发成本。 

       而就车辆疲劳性能开发来讲,它是个包含了试验测试、多体动力学、以及有限元疲劳分析等多学科领域知识的集合体,在执行该工作的过程中会面临诸多挑战,比如:如何执行道路载荷采集试验并正确处理大量数据、如何建立高精度的动力学多体模型进行载荷分解、如何对复杂系统进行有限元建模分析等。

       基于五菱和澳汰尔对车辆性能开发的理解和常年积累的工程经验,充分考虑疲劳性能开发的难点及挑战,建立了一套科学、有效的包含了试验规划、传感器设计/制作/安装、路谱采集试验/数据处理、整车/系统/零部件性能测试、多体动力学建模对标及载荷分解、零部件/系统有限元及疲劳性能分析的开发流程。如下图1示。

耐久性能开发流程

图1 耐久性能开发流程

2.道路动态载荷测试 

       2.1 试验方案确定 

       道路载荷谱测试主要是为了获取轮心处的动态载荷,但考虑到后续多体模型及有限元模型精度标定,还要同时测量多种检测信号,如位移、加速度、力、温度、控制信号、应变等。本文中的测试通道数接近100个(充分对标用),所用传感器包括:轮心六分力仪、拉线位移传感器、加速度传感器、应变片、温度传感器及控制信号传感器等。
表1 测试通道(部分)

测试通道(部分)


       2.2 传感器制作及安装 

       本文中使用六轴力传感器单元直接测量支柱上端连接车身处(top mount)的载荷,而其他位置处的动态载荷,如摆臂球头处、减震器活塞杆、横向稳定杆拉杆处,均采用组合应变片的方式获取。实际制作过程中,首先在上述位置粘贴应变片,然后在实验室台架上精确标定出应变对应的力,这样就可以在整车路试过程中直接读出该位置处的动态载荷。

Top mount处的力传感器

图2 Top mount处的力传感器

摆臂球头处力传感器的制作及标定

图3 摆臂球头处力传感器的制作及标定

       在传感器安装过程中,根据测试要求及车辆零部件的具体形状尺寸选择合适位置,或者设计一些辅助支架方便传感器的安放。对于应变片的安装,通常安装在容易开裂失效的部位,这些位置处的应力比较集中、应变也较大,在这些位置处贴片的另一个好处就是可以提高信号的信噪比,得到一些较为准确的应变采集信号。

应变片的安装

图4 应变片的安装

       2.3 道路载荷采集及数据处理 

       在进行道路载荷采集试验之前,应该检查车辆状态及配重情况是否正确,而且初步运行一些简单整车工况,检查各传感器安装及信号传输是否正常。然后根据企业耐久测试规范在各种路面上进行载荷采集,采集数据通常要有3个完整耐久循环以上。

       对数据进行预处理,并对比各循环样本数据,确定哪些数据将用于后续模型分析的输入。

top mount垂向载荷四圈数据对比

图5 top mount垂向载荷四圈数据对比

3.多体动力学建模及初步对标

       3.1 车辆及零部件参数获取

       本文车辆为前置前驱MPV车型,前悬架为麦弗逊式,后悬架为钢板弹簧形式。要建立准确的车辆动力学模型需要测量大量的车辆信息,而且是在不同的开发阶段分别进行测量。如在整车载荷测试之前进行硬点、K&C测试,在整车试验之后进行衬套、弹簧、减震器及各零部件转动惯量测试。

       对所有测试任务,都需要按照正确的试验规范和要求进行。如在衬套静刚度测试中,规定了加载方式、加载范围及各方向预载,在动刚度测试中,规定了测试的预载、加载频率和幅值。

整车硬点测量

图6 整车硬点测量

弹性件性能测试

图7 弹性件性能测试

       3.2 板簧系统建模及刚度对标 

       为准确捕捉板簧实际形状及厚度信息,本文中通过三坐标打点的方式对板簧系统进行扫描,然后对数据进行处理并建立板簧系统多体模型。

       HyperWorks中的多体模块MotionView提供了基本的板簧建立模板,用户可以方便创建常见的少片簧及多片簧系统。创建的板簧模型主要由BEAM梁单元组成,而且包含端部及片间接触力、弹簧夹作用和板簧系统装配产生的初始载荷。基本建模流程如图8所示。在MotionView基础上进行二次定制化开发,可以实现该流程的自动化建模,用户只需提供板簧的CAD模型即可建立参数化的多体模型。

MotionView中板簧系统建模流程

图8 MotionView中板簧系统建模流程

       各片板簧的厚度对系统刚度影响非常灵敏,而下面两片板簧的姿态角度对刚度曲线拐点及第二段刚度影响较大,在反复确认上述参数后,建模的板簧系统模型,其刚度与试验对比如图9所示。

板簧系统刚度对标

图9 板簧系统刚度对标

       3.3 悬架系统多体建模及对标 

       本文中前悬架系统为麦弗逊式,考虑该模型后续要进行动态工况仿真,为充分考虑底盘零部件的微小变形对载荷的影响,这里对摆臂、副车架和减震器活塞杆进行了柔性化建模处理,而且在模型中也考虑了轮毂及转向系统的刚度。

前悬架系统建模及对标

图10 前悬架系统建模及对标

       后悬架系统为板簧式非独立悬架,该模型中后桥壳为柔性体,同样在轮心处也考虑了轮毂柔度。

后悬架系统建模及对标

图11 后悬架系统建模及对标

       3.4 整车多体系统建模及基本工况对标 

       在前后悬架系统模型的基础上,更新减震器性能并搭建车身子系统可建立整车多体模型。建立的整车模型中要注意检查转动惯量信息及配重状态。

       这里所谓的基本工况指简单的加减速、定圆、过凸块等工况。在动态工况对标前进行简单工况的初步验证其目的是检查模型中传感器的位置是否正确,并检查测试数据及整车状态是否合理。

整车多体模型及定圆简单工况对标

图12 整车多体模型及定圆简单工况对标

4.动态载荷工况模型对标及载荷分解 

       4.1 动态载荷工况多体模型建立 

       本方法中动态工况模型的建立,是把采集到的轮心六分力载荷直接加载到模型的轮心处,作为驱动的外界激励输入。图13中虽然显示了轮胎几何形状,但实际模型运行过程中,轮胎并不参与数值运算。由于该模型要运行动态工况,所以建模过程中要考虑到所有引入的外部质量,如六分力仪以及一些大的传感器。

       另外,这样直接在模型中加载六个方向载荷的方法,需要对车身做适当的约束处理,对高频小振幅路面激励工况来讲,通常可以直接约束车身,对低频大振幅路面激励工况,可以适当释放车身某些自由度。

动态载荷工况分析模型

图13 动态载荷工况分析模型

       4.2 动态载荷工况模型对标 

       运行每次动态载荷工况后,需要对所有试验采集的通道数据与模型中建立的对应输出信号进行对比(该阶段中不对比应变信号),以验证模型精度。

       无论试验采集数据还是各输出的模型仿真结果都类似动态随机信号,对比这样的两组信号其吻合程度,通常采用的方法有:直接对比其时域频域曲线、计算量化的均方根值误差、或使用疲劳分析中的概念对比两组数据的穿级级数和雨流计数曲线并定量计算对比其伪损伤值。

伪损伤计算用S-N曲线

图14 伪损伤计算用S-N曲线

       对于动态工况仿真,零部件质量、转动惯量对结果影响较大,另外由于实际车辆的非线性特征,在模型中也要反应到各弹性件的非线性刚度、阻尼系数上,甚至柔性体的结构阻尼,也会影响仿真结果中某一频率上的峰值。

凸块路面top mount处垂向载荷仿真与试验对比

图15 凸块路面top mount处垂向载荷仿真与试验对比
表2 部分路面top mount垂向力试验与仿真伪损伤比值

部分路面top mount垂向力试验与仿真伪损伤比值


       图15显示了凸块路面上top mount处垂向载荷试验与仿真数据时域曲线及对应穿级级数(Level Crossing)曲线的对比,表2则显示了部分路面top mount处垂向力试验与仿真结果换算为伪损伤值后的比值均在1左右,这些都说明多体仿真结果精度较高。在项目执行中,动态载荷工况模型对标时要求对所有路面所有通道(除应变通道外)都要以此方法进行试验与仿真数据的比对。

       4.3 系统/零部件接附点动态载荷提取 

       模型中在关心的系统/零部件接附点处建立相应的数据输出通道,输出该点处的Fx/Fy/Fz/Mx/My/Mz载荷,使用对标后的多体模型运行所有路面工况,然后在HyperGraph中读取各方向载荷曲线,使用Export功能得导出所有曲线数据的RPC格式文件。

接附点处动态载荷读取

图16 接附点处动态载荷读取

5.疲劳性能分析 

       5.1 材料性能测试 

       为进行疲劳性能分析,对零部件材料进行了性能测试,获取了对应的力学性能,如图17示。

材料性能测试

图17 材料性能测试

       5.2 动态载荷工况应变对标及疲劳分析 

       本文采用单位力法处理时域动态载荷的应变分析及疲劳性能计算。

       为保证疲劳寿命的计算精度,首先进行关键系统/零部件在动态载荷作用下的应变有限元分析与试验采集数据的对标。在对系统进行有限元建模过程中要注意各零部件间的连接关系,如焊点、焊缝等,以及接附点处可能的螺栓预载及预应力。另外要注意模型中的虚拟应变片位置及方向要与实物吻合,在结构上的潜在风险区及应变片安装位置区域要对网格进行细化。图18,19为前副车架横梁有限元分析结果。

       需要指出的是,本文中计算耐久性能使用的单位力法是考虑了部件所受到的外部动态载荷累积得到的损伤结果,虽然该部分损伤值对于车辆系统及部件来讲是最主要的损伤贡献,但为获得更高的疲劳寿命计算精度,应该考虑计入部件模态相关的振动损伤结果。

不同路面条件下仿真与试验应变值PSD比对

图18 不同路面条件下仿真与试验应变值PSD比对

       图18显示了不同耐久路面激励下前副车架横梁上仿真与试验应变功率谱密度的对比,可以看出,在频域上模型应变仿真结果与实测值较为吻合。

疲劳分析与实际断裂位置比对

图19 疲劳分析与实际断裂位置比对

       图19则是反映了前副车架横梁的疲劳损伤结果,可看出疲劳位置与实际开裂位置一致。

6.结论 

       (1)从系统/零部件的疲劳分析结果来看,本文中多体模型分解出的动态载荷是准确的,对复杂系统有限模型的建模方法是正确的,也说明了项目所采用的技术路线和创建的流程体系是有效的。

       (2)本文中是在多体模型轮心处直接加载试验采集到的轮心六分力,进而分解提取中系统/零部件接附点处的动态载荷。该方法本质上是通过逐步完善多体模型参数,提高其准静态、动态工况仿真精度,来获取准确的力传递路径。使用逐层对标后的多体动力学模型,可以更有信心认为分解提取出的接附点各方向载荷是准确的。

       (3)使用上述经过动态载荷对标后的多体动力学模型,可以胜任后续其他用途的K&C分析、整车操稳分析及平顺性分析等工作。

       (4)本文建立了一整套车辆从路谱采集到系统/零部件疲劳分析的开发流程,整理了所有相关的试验/建模/分析规范,也积累了丰富的数据库,如车型轮心及各零部件动态载荷数据库、多体建模参数数据库、零部件材料数据库等,为企业后续车辆疲劳性能开发建立的坚实的基础。

       (5)企业可在此流程的基础上开展基于真实动态载荷的零部件轻量化设计,从而进一步完善优化企业车辆开发流程,提高设计效率,降低开发成本。
责任编辑:程玥
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