鞠道杰，肖 攀，于人杰，鄭國(guó)峰

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶市汽車底盤性能工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

商用車由于使用環(huán)境較為惡劣，在市場(chǎng)上反映出來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題也較多，其中駕駛室開(kāi)裂問(wèn)題尤為突出。因此，在汽車產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，駕駛室作為商用車幾大總成中的重點(diǎn)研究對(duì)象之一，其結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能研究越來(lái)越受到重視，而駕駛室疲勞壽命分析的關(guān)鍵輸入則是各接口點(diǎn)載荷譜［1-2］。

對(duì)于獲取零部件邊界載荷譜的研究，目前主要通過(guò)以下方法開(kāi)展：運(yùn)用虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)獲取載荷邊界條件、基于六分力實(shí)測(cè)信號(hào)直接加載約束車身的方法獲取載荷邊界條件、運(yùn)用物理臺(tái)架進(jìn)行迭代分析載荷邊界條件，直接驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性。

基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的載荷分解，不僅需要通過(guò)道路掃描建立高精度的三維數(shù)字路面，還需建立精確的帶輪胎、懸架的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，讓其在虛擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行循環(huán)仿真，從而提取關(guān)鍵部件接口點(diǎn)的載荷譜。榮兵等［3］、Sridhar等［4］對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述及應(yīng)用研究，在前期路面掃描及重構(gòu)、輪胎測(cè)試及參數(shù)辨識(shí)等方面投入大量時(shí)間成本及人力成本，目前在乘用車上得到應(yīng)用，但在商用車領(lǐng)域還未得到較好應(yīng)用。

基于六分力獲取載荷的方法將試驗(yàn)場(chǎng)采集到的六分力信號(hào)直接加載到整車軸頭位置，通過(guò)采集到的試驗(yàn)信號(hào)激勵(lì)模型獲取載荷譜［5］。該方法為了使六分力信號(hào)直接加載于多體模型順利仿真，需要進(jìn)行車身約束或用剛度較小的彈簧約束車身，與實(shí)際車身工作狀態(tài)無(wú)約束有些出入［6］，因此利用該技術(shù)手段分解獲取的載荷較實(shí)際偏大。

基于物理臺(tái)架分析零部件邊界載荷譜的方法首先對(duì)物理樣車進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集及數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)物理樣車進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)開(kāi)展物理臺(tái)架迭代分析。該方法可適用于后期產(chǎn)品驗(yàn)證階段，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用該方法將大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)輪次及成本，因此還需將CAE分析技術(shù)引入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，以便縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

目前，大多數(shù)企業(yè)運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)零部件載荷譜的研究都是基于整車多體動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)展［7］。在建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，不僅需要準(zhǔn)確的硬點(diǎn)坐標(biāo)、彈簧剛度、襯套剛度、阻尼曲線等彈性元件參數(shù)，各零部件的質(zhì)心、質(zhì)量及慣量對(duì)模型精度也有較大影響。對(duì)于商用車來(lái)說(shuō)，整車級(jí)別多體動(dòng)力學(xué)模型涉及參數(shù)較多，而往往主機(jī)廠也無(wú)法提供全部建模所需參數(shù)。由于本身物理結(jié)構(gòu)非線性度高，載荷傳遞路徑復(fù)雜，因此，對(duì)于駕駛室載荷譜的研究，建立整車級(jí)別多體動(dòng)力學(xué)模型就顯得不適，而且路面激勵(lì)至駕駛室傳遞路徑較遠(yuǎn)，若整車模型中懸架系統(tǒng)建模不精確，整車簧下質(zhì)量、慣量不夠準(zhǔn)確，則最終基于整車模型的載荷分解會(huì)使得駕駛室邊界載荷譜有較大誤差［8］。因此，本文中基于零部件虛擬試驗(yàn)臺(tái)的思想進(jìn)行駕駛室載荷譜研究，技術(shù)路線如圖1所示。該方式參考物理臺(tái)架迭代分析的方法，建立所關(guān)心駕駛室結(jié)構(gòu)區(qū)域的多體動(dòng)力學(xué)模型，將虛擬試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)測(cè)路試信號(hào)相結(jié)合，通過(guò)等效迭代復(fù)現(xiàn)的技術(shù)手段模擬駕駛室的物理臺(tái)架迭代過(guò)程，繼而分解獲取駕駛室邊界載荷譜。

圖1 技術(shù)路線框圖

1 虛擬試驗(yàn)臺(tái)迭代原理

虛擬試驗(yàn)臺(tái)迭代原理同物理臺(tái)架迭代原理一致，都是通過(guò)遠(yuǎn)程參數(shù)控制RPC（remote parameter control）技術(shù)來(lái)模擬試驗(yàn)部件在道路上的實(shí)際使用載荷［9］。臺(tái)架迭代的本質(zhì)是已知系統(tǒng)及輸出求輸入的逆問(wèn)題。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)采集內(nèi)部響應(yīng)信號(hào)及系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù)，迭代獲取系統(tǒng)外界等效臺(tái)架位移激勵(lì)，最后運(yùn)用該等效激勵(lì)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，分解獲取目標(biāo)部件邊界載荷譜［10］。迭代原理如圖2所示。

圖2 迭代原理框圖

創(chuàng)建白噪聲信號(hào)unoise（t），驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲取白噪聲響應(yīng)信號(hào)ynoise（t），通過(guò)輸入及輸出進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別 G（s）：

結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)信號(hào)yDesired（t）及系統(tǒng)逆?zhèn)鬟f函數(shù) G-1（s），迭代獲取系統(tǒng)第1次等效激勵(lì) u1（t）為

將第1次等效激勵(lì)u1（t）用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獲得系統(tǒng)第1次響應(yīng) y1（t）為

由于實(shí)際物理樣車系統(tǒng)G0（s）存在較高的非線性，與基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算獲取的系統(tǒng)傳遞函數(shù)會(huì)有一定誤差，因此系統(tǒng)第1次響應(yīng)信號(hào)y1（t）與試驗(yàn)實(shí)測(cè)信號(hào)yDesired（t）也會(huì)有一定誤差：

此時(shí)，需反復(fù)進(jìn)行迭代修正外界驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比響應(yīng)信號(hào)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)信號(hào)來(lái)不斷修正參數(shù)因子α，直到二者滿足迭代精度要求為止。

式中：un+1（t）為第 n+1次驅(qū)動(dòng)信號(hào)；un（t）為第n次驅(qū)動(dòng)信號(hào)；yn（t）為第n次響應(yīng)信號(hào)。

2 駕駛室-車架虛擬試驗(yàn)臺(tái)

2.1 車架模型處理

路面激勵(lì)經(jīng)車輪及板簧懸架傳遞給車架，車架再將激勵(lì)經(jīng)駕駛室懸置系統(tǒng)傳遞給駕駛室，因此，在單獨(dú)研究駕駛室邊界載荷譜時(shí)，將車架一并考慮在內(nèi)作為駕駛室等效激勵(lì)輸入的載體。為更好地描述駕駛室-車架虛擬臺(tái)架模型，考慮車架大變形及剛度影響等因素，將車架進(jìn)行柔性化處理能更精確地反映駕駛室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。該型商用車駕駛室采用四點(diǎn)全浮式懸置系統(tǒng)支撐在車架前段，對(duì)于駕駛室懸置系統(tǒng)最直接的激勵(lì)就是車架前段。為了建模的簡(jiǎn)便性，將車架進(jìn)行分段處理，以傳動(dòng)軸支撐橫梁為界對(duì)車架進(jìn)行分割處理，耦合分割后的所有節(jié)點(diǎn)，以保證分割后車架前段剛度變化不大，如圖3所示。采用模態(tài)綜合疊加法對(duì)半車架有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，生成MNF文件用于柔性體建模。關(guān)于車架有限元建模及模態(tài)分析在此不贅述。

圖3 半車架有限元模型示意圖

2.2 虛擬臺(tái)架模型

依據(jù)實(shí)車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行部件創(chuàng)建與拓?fù)潢P(guān)系連接。其中，硬點(diǎn)參數(shù)通過(guò)整車數(shù)模測(cè)量獲取，并以集中質(zhì)量代替駕駛室，將駕駛室質(zhì)心位置、駕駛室含試驗(yàn)配載狀態(tài)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量賦予該質(zhì)量剛體。除此之外，懸置系統(tǒng)中彈性元件的剛度及阻尼特性將決定模型的非線性度，直接影響虛擬臺(tái)架精確程度，因此通過(guò)如圖4所示振動(dòng)臺(tái)分別對(duì)各彈性元件進(jìn)行剛度測(cè)試，并將試驗(yàn)獲取的剛度曲線應(yīng)用于所建虛擬臺(tái)架模型中。在應(yīng)用各彈性元件曲線及創(chuàng)建等效位移激勵(lì)時(shí)，應(yīng)遵循各元件在整車坐標(biāo)系中的方向。

圖4 襯套剛度試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)

在車架板簧吊耳及卷耳位置分別施加4個(gè)Z方向隨機(jī)位移激勵(lì)作動(dòng)器，模擬駕駛室垂向、俯仰及側(cè)傾受力特性。在車架縱向第一橫梁處，施加1個(gè)X方向隨機(jī)位移激勵(lì)，模擬駕駛室縱向沖擊（加速及制動(dòng)等）受力特性。在車架同側(cè)位置施加2個(gè)Y方向隨機(jī)位移激勵(lì)，模擬駕駛室橫向及橫擺受力特性，最終搭建形成商用車駕駛室-車架剛?cè)狁詈咸摂M臺(tái)架模型［11］，如圖5所示。將虛擬臺(tái)架進(jìn)行靜平衡分析，調(diào)整彈簧預(yù)載至設(shè)計(jì)值。

圖5 駕駛室-車架剛?cè)崽摂M臺(tái)架模型示意圖

3 實(shí)車信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理

3.1 信號(hào)采集

駕駛室實(shí)車路譜采集選擇在國(guó)內(nèi)某試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化耐久試驗(yàn)道路進(jìn)行。采集路面包括搓板路、扭曲路、小圓凸起路、魚鱗坑、比利時(shí)等典型耐久強(qiáng)化路面。

為在虛擬臺(tái)架中對(duì)迭代信號(hào)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，在駕駛室懸置系統(tǒng)主被動(dòng)端分別布置1個(gè)三向加速度傳感器，駕駛室地板及車頂各布置1個(gè)三向加速度傳感器，懸置主被動(dòng)端間各布置1個(gè)拉線位移傳感器，傳感器布置示意圖如圖6。布置傳感器時(shí)，加速度傳感器嚴(yán)格參考整車坐標(biāo)系，拉線位移傳感器要求與彈簧平行安裝，主要采集通道如表1所示。

圖6 傳感器布置示意圖

表1 主要采集通道

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 載荷譜預(yù)處理

為便于后續(xù)針對(duì)單個(gè)強(qiáng)化路面下駕駛室載荷譜研究，需對(duì)載荷譜進(jìn)行路面分割。

需特別指出的是，采譜過(guò)程中，在某些路面工況下商用車試驗(yàn)車速較低，要同時(shí)兼顧前后軸車輪均駛出測(cè)試路面進(jìn)行工況分割，如圖7所示。在實(shí)際路試試驗(yàn)過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)外界干擾等影響，導(dǎo)致采集信號(hào)的失真、干擾等現(xiàn)象，這些錯(cuò)誤成分將影響迭代時(shí)的收斂性，因此需要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以減小干擾信號(hào)對(duì)后續(xù)結(jié)果的影響，包括對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行去毛刺、去除信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)、修正信號(hào)漂移、信號(hào)平穩(wěn)性檢測(cè)等［12］。

圖7 路面工況分割示意圖

在試驗(yàn)過(guò)程中，為復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)路譜激勵(lì)的幅值，選擇較高的采樣頻率1 024 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在疲勞分析中，主要考察中低頻路面，依據(jù)采樣定理，采樣頻率大于2倍基頻時(shí)就能滿足采樣要求。但是，疲勞分析中所關(guān)注的是時(shí)域信號(hào)的波峰與波谷，若采用2倍基頻進(jìn)行重采樣時(shí)仍無(wú)法描述載荷譜的波峰與波谷，對(duì)后續(xù)疲勞壽命分析將有影響，因此需要提高重采樣頻率。選擇軟件分析中運(yùn)用較為廣泛且可以全覆蓋路面2倍基頻的頻率256 Hz進(jìn)行重采樣。

3.2.2 載荷譜樣本篩選及等效

試驗(yàn)場(chǎng)耐久路試是對(duì)特定工況的多次循環(huán)，而載荷譜采集僅能采集有限的樣本量。為使后期分析利用的樣本數(shù)據(jù)更具代表性，通常采用Rossow抽樣原則（50%存活率）進(jìn)行相應(yīng)的樣本篩選，確保每一路況都包含唯一路譜數(shù)據(jù)［13］。對(duì)路譜預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，獲得樣本篩選數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合企業(yè)制定各疲勞耐久路面的循環(huán)數(shù)，確定目標(biāo)總損傷。根據(jù)總損傷等效的原則，選取一些典型損傷路面進(jìn)行路面重組，確定特征路面及其等效循環(huán)次數(shù)。損傷計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 等效損傷計(jì)算流程框圖

4 載荷譜分解

迭代響應(yīng)信號(hào)應(yīng)對(duì)加載輸入激勵(lì)比較敏感，這樣有利于提高信號(hào)的信噪比，提高迭代收斂性。結(jié)合駕駛室-車架剛?cè)狁詈咸摂M臺(tái)架模型與試驗(yàn)實(shí)測(cè)信號(hào)，選擇相關(guān)性較高的Z向加速度及懸置彈簧位移為目標(biāo)信號(hào)，其余通道為監(jiān)測(cè)信號(hào)。在迭代過(guò)程中，不僅要保證目標(biāo)信號(hào)的精度，同時(shí)應(yīng)兼顧監(jiān)測(cè)信號(hào)的精度。以小圓凸起路為例，其他路面工況迭代方式與該路面相似，在此不贅述。

關(guān)于迭代評(píng)價(jià)，目前主要集中在時(shí)域、頻域以及相對(duì)損傷值上。時(shí)域與頻域主要是宏觀直接比較仿真值與實(shí)測(cè)值曲線的趨勢(shì)、峰值及相位的吻合程度，若二者差別較大，應(yīng)繼續(xù)迭代［14］。圖9～12為經(jīng)過(guò)9次迭代后，在時(shí)域內(nèi)的目標(biāo)信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)仿真值與實(shí)測(cè)值。通過(guò)局部放大圖對(duì)比可知，二者在曲線峰值、趨勢(shì)及相位上精度大于90%。經(jīng)頻域轉(zhuǎn)換后，二者同樣具有相同頻域成分，精度也大于90%。圖13為第9次迭代后響應(yīng)信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)相對(duì)損傷值。從圖中可知，各通道的相對(duì)損傷值都在1左右，滿足0.5～2的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［15］。迭代精度滿足要求，從而可以提取車架等效7通道位移激勵(lì)。

圖9 前左位移仿真值與實(shí)測(cè)值

圖10 車架Z向加速度仿真值與實(shí)測(cè)值

圖11 車身X向加速度仿真值與實(shí)測(cè)值

圖12 車身Y向加速度仿真值與實(shí)測(cè)值

圖13 第9次迭代后相對(duì)損傷值

通過(guò)分析可知：在進(jìn)行到第9次迭代后，此時(shí)的迭代激勵(lì)即虛擬位移激勵(lì)等效于小圓凸起路面工況下路面經(jīng)整車懸架后對(duì)車架的激勵(lì)，該位移激勵(lì)能夠復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)下路面對(duì)車架的激勵(lì)信息，使得仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)標(biāo)精度較高，因此將迭代獲取的位移信號(hào)作為虛擬試驗(yàn)臺(tái)輸入激勵(lì)，進(jìn)行多體仿真分析。提取駕駛室4個(gè)接口點(diǎn)的載荷譜，共計(jì)24個(gè)載荷譜信息，前左點(diǎn)邊界載荷譜如圖14、15所示。

圖14 駕駛室前左接口點(diǎn)三向力載荷譜

圖15 駕駛室前左接口點(diǎn)三向力矩載荷譜

5 結(jié)論

為避免或減小由模型復(fù)雜及傳遞路徑較遠(yuǎn)引起駕駛室邊界載荷譜分析結(jié)果誤差，參考駕駛室物理臺(tái)架，提出一種基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)的方法。選擇駕駛室局部結(jié)構(gòu)，搭建駕駛室-車架剛?cè)崽摂M試驗(yàn)臺(tái)架模型，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)采集懸置加速度信號(hào)及位移信號(hào)進(jìn)行虛擬臺(tái)架迭代分析，并從時(shí)域、頻域以及相對(duì)損傷值對(duì)迭代精度進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，該方法可有效對(duì)標(biāo)駕駛室實(shí)際工作狀態(tài)，獲取的駕駛室邊界載荷譜可準(zhǔn)確反映駕駛室實(shí)際工作受力狀態(tài)，能支撐后續(xù)駕駛室疲勞壽命分析。對(duì)于整車其他零部件邊界載荷譜的研究，同樣可參考物理臺(tái)架模型，建立所關(guān)心結(jié)構(gòu)局部虛擬試驗(yàn)臺(tái)，將CAE分析技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，提高分析時(shí)效性，為后續(xù)零部件結(jié)構(gòu)耐久分析提供滿足實(shí)際情況的邊界載荷條件。