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基于實測動態(tài)道路載荷譜的車輛疲勞性能設(shè)計

2017-12-18 11:59黃元毅董國紅王甲畏
汽車工程 2017年11期
關(guān)鍵詞:板簧載荷動態(tài)

黃元毅,董國紅,鐘 明,李 征,王甲畏

基于實測動態(tài)道路載荷譜的車輛疲勞性能設(shè)計

黃元毅1,董國紅1,鐘 明1,李 征2,王甲畏2

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,柳州 545007; 2.澳汰爾工程軟件(上海)有限公司,上海 200436)

提出了一套完整的基于實測路譜的整車疲勞耐久性能開發(fā)流程。該流程中的多體模型動態(tài)載荷分解部分,是把采集到的輪心6個方向的力和力矩直接加載到多體模型輪心處,用所建的多體模型,仿真得到各零部件及系統(tǒng)連接點處的力。結(jié)果表明,利用多體模型分解獲取的零部件動態(tài)載荷和有限元法分析得到的應(yīng)力、壽命與試驗結(jié)果很好吻合,證明了所建多體模型精度高,載荷傳遞路徑可信,所提出的疲勞性能開發(fā)流程適用于企業(yè)其他車型的開發(fā)。

輪心六分力;多體動力學(xué)模型;零部件載荷分解;疲勞分析

前言

車輛系統(tǒng)/零部件的強度疲勞性能設(shè)計是每個汽車企業(yè)都必須優(yōu)先考慮的內(nèi)容,傳統(tǒng)疲勞性能開發(fā)是通過幾輪樣車的實際道路測試進行最終驗證,這不僅使車輛開發(fā)周期延長,且需要大量的人力、物力和財力投入。使用多體虛擬仿真的手段,準確獲取各零部件上的動態(tài)載荷,則可在車輛開發(fā)階段預(yù)測其疲勞性能,進而對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,使其滿足耐久路試要求。這樣就能最大限度地縮短車輛開發(fā)周期,降低車輛開發(fā)成本[1-3]。

而就車輛疲勞性能開發(fā)而言,它是個包含試驗測試、多體動力學(xué)和有限元疲勞分析等多學(xué)科領(lǐng)域知識的集合體,在執(zhí)行該工作的過程中會面臨諸多挑戰(zhàn),比如如何執(zhí)行道路載荷采集試驗并正確處理大量數(shù)據(jù),如何建立高精度的動力學(xué)多體模型進行載荷分解和如何對復(fù)雜系統(tǒng)進行有限元建模分析等。

基于五菱汽車和澳汰爾公司對車輛性能開發(fā)的理解和常年積累的工程經(jīng)驗,充分考慮疲勞性能開發(fā)的難點和挑戰(zhàn),建立了包含試驗規(guī)劃、傳感器設(shè)計/制作/安裝、路譜采集試驗/數(shù)據(jù)處理、整車/系統(tǒng)/零部件性能測試、多體動力學(xué)建模對標與載荷分解、零部件/系統(tǒng)有限元和疲勞性能分析的開發(fā)流程,如圖1所示。

圖1 耐久性能開發(fā)流程

1 道路動態(tài)載荷測試

1.1 試驗方案確定

道路載荷譜測試主要是為獲取輪心處的動態(tài)載荷,但考慮到后續(xù)多體模型和有限元模型精度標定,還要同時測量多種檢測信號,如位移、加速度、力、溫度、控制信號和應(yīng)變等。本文中的測試通道數(shù)接近100個(充分對標用),所用傳感器包括:輪心六分力儀、拉線位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片、溫度傳感器和控制信號傳感器等。

1.2 傳感器制作與安裝

本文中使用六軸力傳感器單元直接測量支柱上端連接車身處(top mount)的載荷,如圖2所示,而其他位置處的動態(tài)載荷,如圖3所示的擺臂球頭處、減振器活塞桿和橫向穩(wěn)定桿拉桿處,均采用組合應(yīng)變片的方式獲取。實際制作過程中,首先在上述位置粘貼應(yīng)變片,然后在實驗室臺架上精確標定出應(yīng)變對應(yīng)的力,這樣即可在整車路試過程中直接讀出該位置處的動態(tài)載荷。

圖2 top mount處的力傳感器

圖3 擺臂球頭處力傳感器的制作與標定

在傳感器安裝過程中,根據(jù)測試要求和車輛零部件的具體形狀尺寸選擇合適位置,或者設(shè)計一些輔助支架,方便傳感器的安放。應(yīng)變片通常安裝在容易開裂失效的部位,這些位置處的應(yīng)力比較集中、應(yīng)變也較大,在這些位置處貼片的另一個好處就是可提高信號的信噪比,以采集到較為準確的應(yīng)變信號,圖4示出擺臂應(yīng)變片的安裝。

圖4 應(yīng)變片的安裝

1.3 道路載荷采集與數(shù)據(jù)處理

在進行道路載荷采集試驗前,應(yīng)檢查車輛狀態(tài)和配重情況是否正確,且初步運行一些簡單的整車工況,檢查各傳感器安裝和信號傳輸是否正常。然后根據(jù)企業(yè)耐久測試規(guī)范在各種路面上進行載荷采集,采集數(shù)據(jù)通常要有3個完整耐久循環(huán)以上。

對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,并對比各循環(huán)樣本數(shù)據(jù),確定哪些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)模型分析的輸入,圖5對比了采集到的4圈樣本數(shù)據(jù)。

圖5 top mount垂向載荷4圈數(shù)據(jù)對比

2 多體動力學(xué)建模與初步對標

2.1 車輛及零部件參數(shù)的獲取

車輛為前置前驅(qū)MPV車型,前懸架為麥弗遜式,后懸架為鋼板彈簧式。要建立準確的車輛動力學(xué)模型需要測量大量的車輛信息,而且是在不同的開發(fā)階段分別進行測量。如在整車載荷測試之前進行硬點、K&C測試,在整車試驗之后進行襯套、彈簧、減振器與各零部件轉(zhuǎn)動慣量測試。圖6為項目中對整車硬點數(shù)據(jù)的掃描測試結(jié)果。

圖6 整車硬點測量

所有測試皆須按正確的試驗規(guī)范和要求進行。如圖7所示的襯套靜剛度測試中,規(guī)定了加載方式、加載范圍和各方向的預(yù)載;在動剛度測試中,規(guī)定了測試的預(yù)載、加載頻率和幅值。

圖7 彈性件性能測試

2.2 板簧系統(tǒng)建模與剛度對標

為準確捕捉板簧實際形狀和厚度信息,本文中對板簧系統(tǒng)進行三坐標掃描,然后對數(shù)據(jù)進行處理,并建立板簧系統(tǒng)多體模型。

HyperWorks中的多體模塊MotionView提供了基本的板簧建立模板,用戶可方便創(chuàng)建常見的少片簧和多片簧系統(tǒng)。創(chuàng)建的板簧模型主要由BEAM梁單元組成,且包含端部與片間接觸力、彈簧夾作用和板簧系統(tǒng)裝配產(chǎn)生的初始載荷?;窘A鞒倘鐖D8所示。在MotionView基礎(chǔ)上進行二次定制化開發(fā),可實現(xiàn)該流程的自動化建模,用戶只需提供板簧的CAD模型即可建立參數(shù)化的多體模型。

圖8 MotionView中板簧系統(tǒng)建模流程

各片板簧的厚度對系統(tǒng)剛度影響很大,而下面兩片板簧的姿態(tài)角度對剛度曲線拐點和第二段剛度影響較大。在反復(fù)確認上述參數(shù)后,所建的板簧系統(tǒng)模型,其仿真與試驗的剛度曲線如圖9所示,圖中兩條雙點劃線分別對應(yīng)板簧的加載和卸載過程。

圖9 板簧系統(tǒng)剛度對標

2.3 懸架系統(tǒng)多體建模與對標

圖10 前懸架系統(tǒng)建模

前懸架系統(tǒng)為麥弗遜式,如圖10所示,考慮該模型后續(xù)要進行動態(tài)工況仿真,為充分考慮底盤零部件的微小變形對載荷的影響,文中對擺臂、副車架和減振器活塞桿進行了柔性化建模處理,而且在模型中也考慮了輪轂和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。并對前懸架系統(tǒng)K&C性能進行對標。

后懸架系統(tǒng)為板簧式非獨立懸架,如圖11所示。該模型中后橋殼為柔性體,同樣在輪心處也考慮了輪轂的柔度,并對后懸架系統(tǒng)K&C性能進行對標。

圖11 后懸架系統(tǒng)建模

2.4 整車多體系統(tǒng)建模與基本工況對標

在前、后懸架系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,更新減振器性能并搭建車身子系統(tǒng),以建立整車多體模型。所建的整車模型如圖12所示,建模中注意檢查轉(zhuǎn)動慣量信息和配重狀態(tài)。

圖12 整車多體模型

這里所謂的基本工況指簡單的加減速、定圓和過凸塊等工況。在動態(tài)工況對標前進行簡單工況的初步驗證,以檢查模型中傳感器的位置是否正確,和測試數(shù)據(jù)與整車狀態(tài)是否合理。

3 動態(tài)載荷工況模型對標與載荷分解

3.1 動態(tài)載荷工況多體模型的建立

把采集到的輪心六分力載荷直接加載到模型的輪心處,作為驅(qū)動的外界激勵輸入。圖13為建立的整車模型,圖中雖顯示了輪胎幾何形狀,但模型仿真時,輪胎并不參與數(shù)值運算。由于該模型要運行動態(tài)工況,所以建模過程中要考慮到所有引入的外部質(zhì)量,如六分力儀和一些大的傳感器。

另外,直接在模型中加載6個方向載荷時,需要對車身做適當?shù)募s束處理,對于高頻小振幅路面激勵工況,通常可直接約束車身,對低頻大振幅路面激勵工況,則可適當釋放車身某些自由度。

圖13 動態(tài)載荷工況分析模型

3.2 動態(tài)載荷工況模型對標

運行每次動態(tài)載荷工況后,須對所有試驗采集的數(shù)據(jù)與模型中建立的對應(yīng)輸出信號進行對比(該階段中不對比應(yīng)變信號),以驗證模型精度。

無論試驗采集數(shù)據(jù)還是各輸出的模型仿真結(jié)果都類似動態(tài)隨機信號。對比這樣兩組信號的吻合程度,通常采用的方法有:直接對比其時域頻域曲線,計算量化的均方根值誤差,或使用疲勞分析中的概念對比兩組數(shù)據(jù)的穿級級數(shù)和雨流計數(shù)曲線,并定量計算對比其偽損傷值,如圖14所示。

圖14 偽損傷計算用S-N曲線

對于動態(tài)工況仿真,零部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量對結(jié)果影響較大,另外由于實際車輛的非線性特征,在模型中也要反映到各彈性件的非線性剛度和阻尼系數(shù)上,甚至柔性體的結(jié)構(gòu)阻尼,也會影響仿真結(jié)果中某一頻率上的峰值。

表1為部分路面top mount處垂向力試驗與仿真?zhèn)螕p傷比值。由表可見,比值均在1左右,說明多體仿真結(jié)果精度較高。在項目執(zhí)行中,動態(tài)載荷工況模型對標時要求對所有路面所有通道(除應(yīng)變通道外)都以此方法進行試驗與仿真數(shù)據(jù)的比對。

3.3 系統(tǒng)/零部件連接點動態(tài)載荷提取

模型中在關(guān)心的系統(tǒng)/零部件連接點處建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出通道,輸出該點處的Fx/Fy/Fz/Mx/My/Mz載荷,使用對標后的多體模型運行所有路面工況,然后在HyperGraph中讀取各方向載荷曲線,使用Export功能導(dǎo)出所有曲線數(shù)據(jù)的RPC格式文件。圖15為下擺臂球頭處6個方向的動態(tài)載荷。

表1 部分路面top mount垂向力試驗與仿真?zhèn)螕p傷比值

圖15 下擺臂球頭處動態(tài)載荷

4 疲勞性能分析

4.1 材料性能測試

為進行疲勞性能分析,對零部件材料進行了性能測試,獲取了對應(yīng)的力學(xué)性能,圖16為某一標稱屈服強度為370MPa材料的疲勞性能測試結(jié)果。

圖16 材料疲勞性能

4.2 動態(tài)載荷工況應(yīng)變對標與疲勞分析

采用單位力法進行時域動態(tài)載荷的應(yīng)變分析與疲勞性能計算。

為保證疲勞壽命的計算精度,首先進行關(guān)鍵系統(tǒng)/零部件在動態(tài)載荷作用下的應(yīng)變有限元分析與試驗采集數(shù)據(jù)的對標。在對系統(tǒng)進行有限元建模過程中要注意各零部件間的連接關(guān)系,如焊點、焊縫等,以及連接點處可能的螺栓預(yù)載和預(yù)應(yīng)力。另外要注意模型中的虛擬應(yīng)變片位置和方向要與實物吻合,在結(jié)構(gòu)上潛在風(fēng)險區(qū)和應(yīng)變片安裝位置區(qū)域的網(wǎng)格要細化。

需要指出的是,本文中計算耐久性能使用的單位力法是考慮了部件所受到的外部動態(tài)載荷累積得到的損傷結(jié)果,雖然該部分損傷值對于車輛系統(tǒng)和部件來講是最主要的損傷貢獻,但為獲得更高的疲勞壽命計算精度,應(yīng)該考慮計入部件模態(tài)相關(guān)的振動損傷結(jié)果[4]。

圖17示出在雙前輪駛過凸塊和右前輪駛過方坑的激勵下前副車架橫梁上仿真與試驗應(yīng)變功率譜密度的對比??梢钥闯觯陬l域上模型應(yīng)變仿真結(jié)果與實測值較為吻合。

圖17 不同路面條件下仿真與試驗應(yīng)變值PSD比對

圖18 則是前副車架橫梁的疲勞損傷分析與實際斷裂位置。可以看出,疲勞分析結(jié)果與實際開裂位置一致。

圖18 疲勞分析與實際斷裂位置比對

5 結(jié)論

(1)從系統(tǒng)/零部件的疲勞分析結(jié)果來看,該多體模型分解出的動態(tài)載荷是準確的,對復(fù)雜系統(tǒng)有限元模型的建模方法是正確的,也說明了項目所采用的技術(shù)路線和創(chuàng)建的流程體系是有效的。

(2)本文中是在多體模型輪心處直接加載試驗采集到的輪心六分力,進而分解提取系統(tǒng)/零部件連接點處的動態(tài)載荷。該方法本質(zhì)上是通過逐步完善多體模型參數(shù),提高其準靜態(tài)、動態(tài)工況仿真精度,來獲取準確的力傳遞路徑。使用逐層對標后的多體動力學(xué)模型,可更有信心認為分解提取出的連接點各方向載荷是準確的。

(3)使用上述經(jīng)過動態(tài)載荷對標后的多體動力學(xué)模型,可以勝任后續(xù)其他用途的K&C分析、整車操縱穩(wěn)定性分析和平順性分析等工作。

(4)本文中建立了一整套車輛從路譜采集到系統(tǒng)/零部件疲勞分析的開發(fā)流程,整理了所有相關(guān)的試驗/建模/分析規(guī)范,也積累了豐富的數(shù)據(jù)庫,如車型輪心及各零部件動態(tài)載荷數(shù)據(jù)庫、多體建模參數(shù)數(shù)據(jù)庫、零部件材料數(shù)據(jù)庫等,為企業(yè)后續(xù)車輛疲勞性能開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

(5)企業(yè)可在此流程的基礎(chǔ)上開展基于真實動態(tài)載荷的零部件輕量化設(shè)計,從而進一步完善優(yōu)化企業(yè)車輛開發(fā)流程,提高設(shè)計效率,降低開發(fā)成本。

[1] ENSOR D,COOK C,BIRTLESM.Optimizing simulation and test techniques for efficient vehicle durability design and development[C].SAE Paper 2005-26-042.

[2] XU P,WONG D,LEBLANC P,et al.Road test simulation technology in light vehicle development and durability evaluation[C].SAE Paper 2005-01-0854.

[3] 高云凱,李翠,崔玲,等.燃料電池大客車車身疲勞壽命仿真分析[J].汽車工程,2010,32(1):7-12.

[4] TSAI M,HONG H,GEISLER R,et al.Dynamic vehicle durability simulation and applications using modal stress methodology[C].SAE Paper 2011-01-0786.

Vehicle Fatigue Performance Design Based on Dynamic Road Load Spectra Measured

Huang Yuanyi1, Dong Guohong1, Zhong Ming1, Li Zheng2& Wang Jiawei2

1.SAIC-GM-WuLing Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545007; 2.Altair Engineering(Shanghai), Inc, Shanghai 200436

A complete set of vehicle fatigue durability development procedure is proposed based on the road load spectra measured.In the part of dynamic load cascading of multi-body model in the procedure,the measured forces and moments in six directions acting on wheel center are directly applied on the wheel center in multi-body model,and a simulation is conducted with the multi-body model built to get the forces on connecting points of components and system.The results show that the component dynamic loads cascaded from the model and the stress and fatigue life obtained by finite element analysis well agree with test results,demonstrating the high accuracy of multibody model built,the credibility of load transmission path and the suitability of proposed development procedure to the development of other vehicle makes in the enterprise.

six force components on wheel center; multi-body dynamics model; component load cascading;fatigue analysis

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.009

原稿收到日期為2016年12月13日,修改稿收到日期為2016年12月22日。

李征,工程師,E-mail:lizhengs_2005@ 163.com。

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