林明世，李明一，劉志敏，竇德海，季紅麗

摘? 要：為了提高懸架系統(tǒng)零部件耐久分析精度，減少開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，首先本文制定了適用于輕型商用車使用場景的懸架系統(tǒng)耐久分析工況和試驗工況，然后建立整車多提動力學(xué)模型，應(yīng)用虛擬試驗場（DVP）技術(shù)，進(jìn)行時域下的虛擬試驗場道路的整車動力學(xué)仿真，并對懸架系統(tǒng)零部件進(jìn)行載荷分解。最后采用分解后的載荷進(jìn)行零部件的有限元分析。該方法更真實的反映了整車在實際路面懸架受力情況，考慮因素更加全面，精度更高，分析方法更加有效。

關(guān)鍵詞：VPG；輕型商用車；懸架；虛擬路面

中圖分類號：U463.34? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）03-0002-08

The VPG Technology and Application Research of Light Commercial Vans

Lin Ming-shi， Li Ming-yi， Liu zhi-min， Dou De-hai， Ji Hong-li

（ Zhejiang Farizon Commercial Vehicle R&D Co.， Ltd， Hangzhou 325000， China）

Abstract： In order to the durability analysis accuracy of suspension system parts is improved， firstly， the development time is reduced， and costs is reduced， this paper the endurance analysis conditions and test conditions of the suspension system suitable for the use scenarios of light commercial vehicles are established， secondly， the vehicle multi-lift dynamic model is established， and the virtual proving ground （DVP） technology is applied， the vehicle dynamics of the virtual proving ground in the time domain is simulated， and the component load is decomposed of the suspension system parts. Finally， the decomposed load is used for the finite element analysis（FEA） of the component. This method more realistically reflects the force of the suspension of the whole vehicle on the actual road， and the considerations are more comprehensive， the accuracy is higher， and the analysis method is more effective.

Key words： VPG（Virtual Proving Ground）; Light Commercial Vehicle; Suspension; Characteristic Road

1? ? 前言

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，有80%以上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞是由疲勞破壞所造成的，隨著機(jī)械產(chǎn)品運轉(zhuǎn)速度的提高，疲勞破壞更加普遍[1]。懸架系統(tǒng)承受來自路面的各種交變載荷，其疲勞強(qiáng)度性能對保證汽車產(chǎn)品的安全性和可靠性至關(guān)重要[1-2]。懸架系統(tǒng)耐久性能開發(fā)也是商用車底盤開發(fā)的關(guān)鍵，不僅影響車輛的使用壽命，同時還會波及汽車品牌的口碑。商用車的開發(fā)周期往往比乘用車的開發(fā)周期短，那么輕型商用車不僅要具備的較好的承載性能，同時需要滿足商用車乘用化的發(fā)展趨勢，這樣就需要制定一套適用于輕型商用車的工況場景定義，還需采用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)縮短開發(fā)周期，提高懸架耐久開發(fā)精度。

以往對于懸架系統(tǒng)耐久開發(fā)采用典型工況的加載系數(shù)方式對輪心六分立進(jìn)行加載，并進(jìn)行懸架系統(tǒng)零部件的載荷分解；另外一種載荷分解方式是道路譜采集，通過對樣車的輪心六分力時域譜采集加載到懸架動力學(xué)模型中進(jìn)行懸架系統(tǒng)零部件的載荷分解。第一種方法分析精度有限；第二種方法需樣車生產(chǎn)后進(jìn)行或采用相同平臺相近車型進(jìn)行路譜采集，時間周期較長，成本較高。

為此，國外各大汽車公司開展了汽車試車場耐久性試驗條件下耐久性仿真研究。Arvin Meritor 公司運用虛擬試車場（VPG，Virtual Proving Ground）技術(shù)對載貨汽車底盤系統(tǒng)耐久性進(jìn)行了預(yù)報，并用試驗方法對所得結(jié)果進(jìn)行了驗證，該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用；MIRA公司運用VPG技術(shù)對轎車整車耐久性進(jìn)行了預(yù)報，取得較好效果[3，4]。

同時虛擬試驗場技術(shù)通過多體動力學(xué)仿真提取虛擬載荷，進(jìn)而進(jìn)行疲勞分析，支持車身和底盤結(jié)構(gòu)件耐久性能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。面向耐久性能的汽車虛擬試驗場技術(shù)是CAE領(lǐng)域的重大技術(shù)變革。該技術(shù)改變了傳統(tǒng)的疲勞耐久開發(fā)對實車試驗的依賴性，而是將真實的車輛簡化并構(gòu)造動力學(xué)模型，只保留維持內(nèi)力傳遞路徑的底盤結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合高精度的數(shù)字化路面模型和輪胎模型，用于模擬真實車輛在物理試驗場耐久道路上的行駛狀態(tài)。通過仿真模擬可得出底盤各連接件之間、底盤與車身連接點之間的力學(xué)響應(yīng)特性，以此力學(xué)特性為輸入條件即可開展汽車各零部件的疲勞分析與校核，支持耐久性能開發(fā)。

本文通過對比參考本企業(yè)乘用車底盤耐久分析標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合輕型商用車型的使用工況及場景，制定一套適用于輕型商用車的耐久分析和試驗驗證標(biāo)準(zhǔn)，并采用VPG技術(shù)進(jìn)行虛擬試驗場路面的分析方式對懸架系統(tǒng)零部件載荷進(jìn)行分解，加載零部件的CAE模型分析，并驗證零部件的疲勞耐久結(jié)果。采用該技術(shù)精度提升較高，壓縮了試驗驗證周期，節(jié)省了車型的開發(fā)成本。

2? ? 用戶模型及分析工況

車型定義10年24萬公里整車設(shè)計壽命，并結(jié)合車輛類型、市場調(diào)研及用戶目標(biāo)制定使用場景的用戶模型，如圖1所示。在制定用戶模型的過程中，歸類了城市道路、一般公路、高速公路和山路等類型的道路里程及行駛車速。同時對比x、y、z三個方向損傷，轉(zhuǎn)化試驗場工況。由此進(jìn)行對應(yīng)于虛擬路面的強(qiáng)度及耐久工況載荷分解。

結(jié)合懸架系統(tǒng)是整車耐久設(shè)計的1.5倍系數(shù)，并對比上述用戶場景及試驗場關(guān)聯(lián)，制定適用于本企業(yè)輕型商用車型的整車強(qiáng)度及疲勞耐久工況，如表1所示：

3? ? 分析流程

建立基于虛擬試驗場懸架系統(tǒng)零部件分析流程規(guī)范，首先進(jìn)行整車動力學(xué)模型MBS（Dynamics of Multi-body System）搭建和驗證的流程，如圖2所示。通常模型的驗證需要進(jìn)行懸架系統(tǒng)的K&C（Kinematic and Compliance）驗證，并進(jìn)行整車質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)配，需與測試相符。

然后建立基于VPG的仿真流程，仿真采用對應(yīng)車速不同路面及車輛巡跡行駛，并通過adams模型中request進(jìn)行載荷譜輸出。仿真流程如下圖3所示。若分解后的載荷譜出現(xiàn)異常，則需要核對模型和求解等過程。

耐久性分析即對零部件進(jìn)行疲勞壽命分析，而疲勞壽命分析的關(guān)鍵則是底盤邊界載荷的預(yù)測[5]。本文應(yīng)用分解后的載荷譜，加載到零部件有限元模型進(jìn)行零部件的疲勞耐久分析，若分析結(jié)果不合格，在進(jìn)行零部件模型的優(yōu)化，直至分析合格。分析流程如下圖4所示：

4? ? 模型搭建

4.1? ?輪胎模型

輪胎模型是基于虛擬試驗場分析的多體動力學(xué)整車模型搭建的關(guān)鍵，因為在虛擬試驗場路面輸入多為中高頻振動，對于這種中高頻的輪胎模型行業(yè)內(nèi)多采用Ftire輪胎模型。FTire輪胎模型原理是將胎體與胎面分開建模，分別描述輪胎的結(jié)構(gòu)與接觸問題，其建模核心是將輪胎鋼絲帶束用80～200個集中質(zhì)量的結(jié)點代替，稱為帶束結(jié)點，結(jié)點之間通過彈簧阻尼連接，以此來反映輪胎的各向特性。FTire輪胎模型首先要對輪胎進(jìn)行物理臺架測試（如圖5所示），模型辨識過程就是在特定軟件中利用試驗結(jié)果對每一個對標(biāo)工況進(jìn)行參數(shù)辨識與調(diào)整，使模型表現(xiàn)出的力學(xué)性能與試驗結(jié)果一致。本文采用的是輪胎型號215/75 R16的輪胎，辨識輪胎模型特性文件和輪胎模型如下圖6、7所示：

4.2? ?整車動力學(xué)模型

建立可應(yīng)用于虛擬試驗場仿真的整車MBS模型，該整車動力學(xué)模型是基于adams軟件進(jìn)行搭建，如圖8所示。包括車身模型、前懸架模型、后懸架模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、制動系統(tǒng)模型、車身模型、動力總成模型和輪胎模型，如圖9，10所示。這里將整車模型考慮為柔性梁結(jié)構(gòu)，如圖11所示，同時副車架也要考慮柔性體，可精確反映實車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。

4.3? ?路面模型

根據(jù)不同試驗場道路工況，綜合考慮數(shù)據(jù)精度與數(shù)字化成本，可以選擇激光掃描建?；蛉斯とS繪制建模的方法進(jìn)行路面數(shù)字化過程。最后得到適用于MSC.Adams仿真分析的試驗場虛擬數(shù)字路面[6]。

本文基于虛擬試驗場的路面模型，主要通過應(yīng)用 3D激光測量系統(tǒng)掃描路面，將復(fù)雜的耐久路面進(jìn)行復(fù)制，從而逆向建立路面模型。路面掃描設(shè)備掃描并處理的路面文件如下，如圖12所示：

路面文件需處理成適用于MSC.Adams仿真分析的試驗場虛擬數(shù)字路面，通常為*.rdf或*.crg格式的文件。

CRG格式的路面文件通過MATLAB編程進(jìn)行展示和修改；數(shù)據(jù)部分采用二進(jìn)制保存，以減少文件大小；支持當(dāng)前主流動力學(xué)軟件：MSC.ADAMS，Car Sim，LMS Virtual Lab；同時該格式的文件還適合激光路面數(shù)據(jù)的保存；以子塊的方式動態(tài)導(dǎo)入程序中，導(dǎo)入一塊算一塊，便于節(jié)省內(nèi)存，提高計算效率[7，8]。

5? ? VPG載荷分解

進(jìn)行上述每個工況下的整車仿真，輸出零部件考察點的載荷譜，并對分解的載荷譜進(jìn)行準(zhǔn)確性評估。頻率域分析可以從自功率譜密度函數(shù)體現(xiàn)各種頻率成分能量的強(qiáng)弱。功率譜密度分析實質(zhì)上是通過功率有限信號均方根的譜密度來描述信號的頻率結(jié)構(gòu)[11]。

信號的功率譜需對自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，

式1中，自相關(guān)函數(shù)Rx（τ→∞）=0，X（t）是零均值的各態(tài)經(jīng)歷過程函數(shù)（μx=0），這時自相關(guān)函數(shù)可以滿足傅里葉變換條件，即：

式中Sx（ f ）就是X（t）的自功率譜密度函數(shù)。

分析每個工況頻域特性，通過檢查頻域信號是否有異常峰值判斷數(shù)據(jù)的合理性。下圖13位輪心處的x、y、z三個方向的時域轉(zhuǎn)頻域譜曲線。經(jīng)檢查無異常情況后，分解輪心以上傳遞路徑的零部件載荷譜。

同時還以扭曲路和鵝卵石為例，對比輪心處的時域譜分析與試驗對比，并驗證輸入及輪胎模型是否有異常，如下圖14～16所示。

6? ? CAE強(qiáng)度疲勞分析及臺架驗證

在虛擬試驗?zāi)Ｐ偷膭側(cè)狁詈隙囿w動力學(xué)仿真完成之后將仿真計算得到的柔性體模型的模態(tài)參與因子函數(shù)提取出來作為目標(biāo)部件有限元模型的邊界載荷條件為疲勞損傷計算創(chuàng)造條件[9，10]。并采用極限工況分解后的載荷對前懸架核心部件如上下控制臂進(jìn)行CAE分析，同時進(jìn)行多輪次的分析及優(yōu)化，直至分析合格，如下圖17-22所示。強(qiáng)度分析合格后在進(jìn)行基于VPG的控制臂結(jié)構(gòu)的疲勞工況分析。優(yōu)化分析后得到最優(yōu)化的上下控制臂結(jié)構(gòu)。

通過對VPG分解的懸架各零部件的載荷力譜，進(jìn)行基于載荷譜的懸架四通道（加載力分別為側(cè)向力、縱向力、垂向力和減振器作用力）試驗臺臺架驗證，驗證的懸架部件包括上控制臂、下控制臂、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向機(jī)、和轉(zhuǎn)向節(jié)。四通道加載力為VPG分解的壓縮載荷譜，臺架試驗等效懸架系統(tǒng)36萬km，零部件等效100萬公里無損壞。

7? ? 路譜采集與VPG分解力對比

通過VPG仿真的輪心六分力和懸架系統(tǒng)零部件的載荷譜與實車試驗場采集譜對比發(fā)現(xiàn)，略有差別，下圖24列舉扭曲路和坑洼路的輪心位移和減振器塔頂載荷對比情況。

同時也進(jìn)行了不同測量點的仿真值和測試值的RMS的比值，如表3。對比表明，實譜與虛譜一致性較好，可用于虛擬譜的臺架加載輸入和強(qiáng)度耐久分析。

8? ? 結(jié)論

本文通過VPG技術(shù)提升了懸架系統(tǒng)耐久仿真的精度和基于用戶場景工況定義的適用性，同時減少了整車耐久驗證的輪次，降低了路試驗證成本。

雖然VPG仿真方法和精度較比傳統(tǒng)的強(qiáng)度工況和虛擬迭代方式更加合理，但是后續(xù)還需做以下方面的研究工作：

1）在多提動力學(xué)模型中采用的是臺架特性的減振器外特性輸入，未考慮減振器內(nèi)特性模型，后續(xù)研究建立基于內(nèi)特性的減振器模型，更加適用于高頻振動的精度提升；

2）動力學(xué)模型中襯套模型為解耦后的外特性模型，后續(xù)研究采用試驗辨識的襯套模型，對于振動的不同頻率和振幅的輸入精度應(yīng)更高；

總之VPG 技術(shù)的應(yīng)用使懸架系統(tǒng)耐久開發(fā)更加合理、快捷和準(zhǔn)確。

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林明世

畢業(yè)于對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，工商管理碩士，現(xiàn)就職于吉利商用車集團(tuán)有限公司，任集團(tuán)副總裁，全新智能LCV產(chǎn)業(yè)化項目第一負(fù)責(zé)人，已發(fā)表論文多篇，申報專利128項，曾獲省級科技成果轉(zhuǎn)化獎特等獎等榮譽。

專家推薦語

王? ?坤

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

整車技術(shù)部副總工程師? 高級工程師

本論文介紹了一種基于VPG技術(shù)的輕型商用車懸架系統(tǒng)核心零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久仿真設(shè)計優(yōu)化的流程性方法。文章詳細(xì)的介紹了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久試驗工況，用戶模型及分析工況、分析流程 、模型的構(gòu)建、VPG載荷的分解以及基于分解的載荷對懸架系統(tǒng)核心零部件上、下控制臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞的優(yōu)化仿真分析。本文內(nèi)容對于研究及運用此方法的讀者，具有一定的開發(fā)借鑒和學(xué)習(xí)價值，同時具有公開發(fā)表的價值。