虛擬試驗(yàn)載荷分析與試驗(yàn)驗(yàn)證研究

王長(zhǎng)明　曹正林　彭亮　李云鵬　趙晉（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130011）

虛擬試驗(yàn)載荷分析與試驗(yàn)驗(yàn)證研究

王長(zhǎng)明曹正林彭亮李云鵬趙晉
（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130011）

基于某C級(jí)轎車(chē)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在ADAMS/CAR中建立了整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型、虛擬臺(tái)架模型和數(shù)字化路面模型，以臺(tái)架和整車(chē)的實(shí)物試驗(yàn)工況為輸入條件，通過(guò)虛擬臺(tái)架試驗(yàn)分析和虛擬整車(chē)試驗(yàn)分析獲取了整車(chē)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)工作載荷，并利用實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，虛擬試驗(yàn)分析所得載荷結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果在時(shí)域、頻域和相對(duì)損傷趨勢(shì)方面基本一致，該虛擬試驗(yàn)分析模型可為整車(chē)和系統(tǒng)級(jí)疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

主題詞：虛擬試驗(yàn)多體仿真數(shù)字化路面

1 前言

目前，整車(chē)、系統(tǒng)和零部件疲勞壽命的評(píng)價(jià)方法主要有實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證和虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證2種，為減少臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)次數(shù)、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期及降低研發(fā)成本，通常采用虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證部分或全部替代實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證。本文以實(shí)車(chē)樣件測(cè)試數(shù)據(jù)、臺(tái)架三維模型和路面高程數(shù)據(jù)等為參數(shù)輸入，在ADAMS/CAR中建立了某C級(jí)轎車(chē)整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型、虛擬臺(tái)架和數(shù)字化路面模型，利用軟件型虛擬試驗(yàn)技術(shù)中的半解析法和完全解析法［1～4］進(jìn)行了后懸架系統(tǒng)虛擬臺(tái)架靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析和虛擬整車(chē)模型數(shù)字化路面的試驗(yàn)載荷分析，并分別與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)場(chǎng)路面的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆治鼍取?/p>

2 試驗(yàn)載荷譜測(cè)試

對(duì)某C級(jí)車(chē)分別進(jìn)行整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)典型路面試驗(yàn)和懸架總成與整車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)的載荷譜測(cè)試。由于所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在零漂、野點(diǎn)和趨勢(shì)項(xiàng)等問(wèn)題，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集

在一汽農(nóng)安汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)耐久路典型路面和誤用路面上進(jìn)行試驗(yàn)車(chē)輛的道路載荷數(shù)據(jù)采集［5］，主要測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。采集完成后，對(duì)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理使其可直接用于模型驗(yàn)證分析。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜采集

對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了前懸架、后懸架總成和整車(chē)系統(tǒng)等臺(tái)架試驗(yàn)的載荷數(shù)據(jù)采集。其中，懸架總成臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目包含縱向、垂向和側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)加載臺(tái)架試驗(yàn)、多軸動(dòng)態(tài)加載臺(tái)架試驗(yàn)，整車(chē)系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目為整車(chē)多軸加載的MTS試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)。

表1　主要測(cè)試參數(shù)通道

圖1為后懸架總成縱向準(zhǔn)靜態(tài)加載和整車(chē)多軸動(dòng)態(tài)加載的臺(tái)架試驗(yàn)照片。

圖1　實(shí)物臺(tái)架加載試驗(yàn)

3 虛擬試驗(yàn)分析

3.1 虛擬試驗(yàn)分析模型

3.1.1 整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)獲取的整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，在ADAMS/ CAR中建立了試驗(yàn)車(chē)整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。整車(chē)模型中包含車(chē)身、前懸架、后懸架、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎等。

圖2　試驗(yàn)車(chē)整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型

3.1.2 虛擬臺(tái)架模型

虛擬臺(tái)架分析的目的是實(shí)現(xiàn)在虛擬試驗(yàn)環(huán)境下，借助交互式技術(shù)和試驗(yàn)分析技術(shù)，在汽車(chē)設(shè)計(jì)階段即可對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)或者試驗(yàn)驗(yàn)證。

依據(jù)臺(tái)架三維數(shù)據(jù)建立了前懸架、后懸架總成和整車(chē)系統(tǒng)的虛擬臺(tái)架模型，如圖3、圖4所示。

圖3　后懸架總成虛擬臺(tái)架模型

圖4　整車(chē)系統(tǒng)虛擬臺(tái)架模型

3.1.3 數(shù)字化路面模型

數(shù)字化路面的輪廓以實(shí)際采集典型耐久路路面高程信號(hào)［6，7］（即路面不平度）的預(yù)處理數(shù)據(jù)和誤用試驗(yàn)路面測(cè)試數(shù)據(jù)為輸入，在ADAMS/CAR中建立的數(shù)字化路面模型如圖5所示。

圖5　數(shù)字化試驗(yàn)路面模型

3.2 虛擬試驗(yàn)分析與載荷提取

根據(jù)建立的整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型、虛擬臺(tái)架模型和數(shù)字化試驗(yàn)路面模型等，進(jìn)行懸架總成單軸與多軸加載、整車(chē)系統(tǒng)多軸加載臺(tái)架試驗(yàn)等虛擬臺(tái)架分析和整車(chē)耐久性試驗(yàn)、誤用試驗(yàn)的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)分析，完成后提取每個(gè)鉸接點(diǎn)的載荷，得到用于后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證的載荷譜數(shù)據(jù)。

4 對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)虛擬試驗(yàn)分析模型進(jìn)行了全面的對(duì)比驗(yàn)證，以?xún)蓚€(gè)方面的驗(yàn)證為例進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 系統(tǒng)級(jí)虛擬臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撵o態(tài)與動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

圖6為后懸架總成縱向靜態(tài)加載臺(tái)架試驗(yàn)的作動(dòng)器加載力，將其直接加載到模型上進(jìn)行虛擬試驗(yàn)分析，圖7為作動(dòng)器的位移和2#上控制臂的應(yīng)變時(shí)間歷程信號(hào)的臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。由圖7可知，載荷對(duì)比結(jié)果中各級(jí)載荷幅值一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣偠忍匦耘c實(shí)際的后懸架總成試驗(yàn)一致。

圖6　臺(tái)架試驗(yàn)的作動(dòng)器加載力

圖7　臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)的時(shí)間歷程信號(hào)

對(duì)測(cè)試六分力數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯得到多軸臺(tái)架試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)譜［8］，以該驅(qū)動(dòng)譜為輸入，進(jìn)行后懸架總成虛擬臺(tái)架試驗(yàn)分析，圖8、圖9分別為前下控制臂連桿軸向載荷的時(shí)間歷程信號(hào)和穿級(jí)計(jì)數(shù)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，圖10為3個(gè)連桿軸向載荷的相對(duì)損傷對(duì)比。由圖8～圖10可知，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果中時(shí)域、穿級(jí)計(jì)數(shù)和相對(duì)損傷一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥枘崽匦耘c實(shí)際后懸架總成試驗(yàn)一致。

圖8　臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)中前下控制臂連桿軸向載荷的時(shí)間歷程信號(hào)

圖9　臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)中前下控制臂連桿軸向載荷的穿級(jí)計(jì)數(shù)

圖10　臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)中連桿軸向載荷的相對(duì)損傷

驗(yàn)證結(jié)果表明：在以實(shí)車(chē)測(cè)試參數(shù)建立的懸架系統(tǒng)虛擬臺(tái)架模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)載荷分析可有效再現(xiàn)實(shí)際臺(tái)架的載荷傳遞特性。

4.2 整車(chē)級(jí)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)態(tài)驗(yàn)證

整車(chē)級(jí)虛擬試驗(yàn)主要分析工況有耐久性臺(tái)架試驗(yàn)、典型路路面試驗(yàn)和誤用試驗(yàn)3種，以整車(chē)耐久性驗(yàn)證的車(chē)輪垂向動(dòng)載荷和橫向溝槽誤用試驗(yàn)的車(chē)輪相對(duì)G載荷為例，驗(yàn)證該整車(chē)虛擬試驗(yàn)分析模型的精度。

以典型路面整車(chē)試驗(yàn)的車(chē)輪六分力為計(jì)算目標(biāo)，通過(guò)虛擬試驗(yàn)的虛擬迭代［9］技術(shù)進(jìn)行除輪胎外的整車(chē)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鼍闰?yàn)證，再通過(guò)整車(chē)道路虛擬試驗(yàn)分析進(jìn)行整車(chē)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ê喬ツＰ停┓治鼍闰?yàn)證。

4.2.1 整車(chē)級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

圖11為左前車(chē)輪垂向力時(shí)間歷程信號(hào)的臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖12為左前車(chē)輪垂向力的穿級(jí)計(jì)數(shù)、功率譜密度的對(duì)比結(jié)果，圖13為車(chē)輪垂向力數(shù)據(jù)結(jié)果的相對(duì)損傷值比較。由圖11～圖13可知，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果中時(shí)域、頻域和相對(duì)損傷一致性較好，說(shuō)明整車(chē)系統(tǒng)虛擬臺(tái)架可以較好地再現(xiàn)實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)工況。

圖11　左前車(chē)輪垂向力的時(shí)間歷程

圖12　臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)中左前車(chē)輪垂向穿級(jí)計(jì)數(shù)和功率譜密度曲線

圖13　臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)損傷值比較

4.2.2 整車(chē)級(jí)道路試驗(yàn)驗(yàn)證

表2為耐久性道路試驗(yàn)的車(chē)輪垂向力與虛擬試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比，圖14為左前車(chē)輪垂向力的時(shí)間歷程信號(hào)的道路試驗(yàn)和虛擬道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖15為左前車(chē)輪垂向力的穿級(jí)計(jì)數(shù)、功率譜密度的道路試驗(yàn)和虛擬道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖16為道路試驗(yàn)與虛擬道路試驗(yàn)的車(chē)輪垂向力數(shù)據(jù)結(jié)果的相對(duì)損傷值比較。由表2和圖14～圖16可知，虛擬道路試驗(yàn)與道路試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差值、穿級(jí)計(jì)數(shù)和相對(duì)損傷一致性較好，但還存在一定的誤差，引起誤差的主要原因是耐久性道路試驗(yàn)與路面采集的路線軌跡不同以及整車(chē)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛嬖诖罅縿傮w簡(jiǎn)化。

表2　道路試驗(yàn)與虛擬道路試驗(yàn)車(chē)輪垂向力的標(biāo)準(zhǔn)差N

圖14　左前車(chē)輪垂向力的時(shí)間歷程信號(hào)

圖15　道路與虛擬道路試驗(yàn)中左前車(chē)輪垂向力

圖16　道路試驗(yàn)與虛擬道路試驗(yàn)中車(chē)輪垂向力的相對(duì)損傷值

以誤用工況試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定的車(chē)速為虛擬驗(yàn)證的控制目標(biāo)，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)分析，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)車(chē)速因受到?jīng)_擊而發(fā)生變化，可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定影響，圖17為誤用試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的相對(duì)G載荷［5］比值。由圖17可知，橫向溝槽虛擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，前輪相對(duì)G載荷的垂向和縱向相對(duì)誤差分別為3%和8%，后輪相對(duì)G載荷垂向相對(duì)誤差為21%。

圖17　誤用試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的相對(duì)G載荷比值

結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)上述驗(yàn)證的整車(chē)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木容^好，但仍需不斷積累和完善虛擬試驗(yàn)方法才能得到較為可靠的整車(chē)級(jí)試驗(yàn)載荷。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)系統(tǒng)級(jí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)、整車(chē)級(jí)的動(dòng)態(tài)和整車(chē)道路試驗(yàn)等的虛擬試驗(yàn)分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，虛擬試驗(yàn)分析載荷結(jié)果可以較好地再現(xiàn)臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)道路試驗(yàn)等試驗(yàn)工況，說(shuō)明該虛擬試驗(yàn)分析模型可為整車(chē)和系統(tǒng)級(jí)的疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

1李飛，郭孔輝，丁海濤，等.汽車(chē)耐久性分析底盤(pán)載荷預(yù)測(cè)方法研究綜述.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（24）：5960～5964.

2 Cruz JMD，Santo ILDE，Oliveira AAD.A Semi-Analytical Method to Generate Load Cases For CAE Durability Using Virtual Vehicle Prototypes.SAEPaper 2003-01-3667.

3徐剛，周鋐，陳棟華，等.基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)的疲勞壽命預(yù)測(cè)研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（1）：97～100.

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5程穩(wěn)正，曹正林，趙晉.乘用車(chē)整車(chē)誤用試驗(yàn)軸頭載荷仿真研究.汽車(chē)技術(shù)，2015（11）：34～38.

6韓毅.中國(guó)典型汽車(chē)道路譜數(shù)據(jù)采集與處理研究：［學(xué)位論文］.北京：清華大學(xué)，2010.

7劉再生，霍福祥，楊立峰，等.基于路譜輸入的汽車(chē)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)方法研究.汽車(chē)技術(shù)，2010（9）：47～50.

8劉再生，霍福祥，王長(zhǎng)明，等.轎車(chē)懸架臺(tái)架多軸疲勞試驗(yàn)載荷開(kāi)發(fā).汽車(chē)技術(shù)，2012（6）：47～50.

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年6月7日。

Research on Load Analysis of Virtual Experiment and Experimental Validation

Wang Changming，Cao Zhenglin，Peng Liang，Li Yunpeng，Zhao Jin
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control，Changchun 130011）

【Abstract】A multi-body dynamics model of a C-class car，virtual test rig model and digital road model are constructed in ADAMS/CAR based on the measured data，and the test rig and vehicle test conditions are used as input condition.The working load of the vehicle and system are obtained by the virtual experiment analysis of the test rig and the vehicle，which are validated with practical test results.The results indicate that the virtual experiment results and test results are basically consistent in the time domain，frequency domain and relative damage trend，the virtual experiment model can be used in fatigue life analysis and structure optimization of the vehicle and system as input load condition.

Virtualexperiment，MBS，Digital road

U467

A

1000-3703（2016）08-0043-05