姜 平，后世昌

Jiang Ping，Hou Shichang

（合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

車輛的疲勞耐久性研究逐漸成為各大整車企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的汽車耐久性評估方法是通過在試驗(yàn)場進(jìn)行道路試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，而在車輛產(chǎn)品開發(fā)初期，通過CAE技術(shù)就可以驗(yàn)證車輛疲勞耐久性[2]。這種方法縮短了車輛開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

在疲勞耐久性研究中，載荷譜的提取至關(guān)重要。通常有 2種間接的方法，一種是選用輪心六分力直接獲取輪心處的載荷譜，然后通過ADAMS仿真的方法獲得其他位置的載荷譜，還有一種是運(yùn)用虛擬迭代的方法，虛擬迭代技術(shù)基于實(shí)車道路試驗(yàn)采集信號，通過建立多體動力學(xué)模型迭代求解，可以得到各連接點(diǎn)的載荷[3-5]。

以某重型商用車轉(zhuǎn)向管柱及支架為研究對象，為了簡化模型，減少傳遞路徑，建立車架、駕駛室、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，通過虛擬迭代的方法求得轉(zhuǎn)向管柱及支架分別與駕駛室、車架、轉(zhuǎn)向器連接處的載荷譜。

1 試驗(yàn)及處理

在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場進(jìn)行典型路面加速度信號的采集，安裝5個加速度傳感器，5個傳感器的安裝位置分別位于轉(zhuǎn)向管柱上支架、轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、車架左前、左后側(cè)前懸架處。滿載時試驗(yàn)樣車在石塊路、砂石路、卵石路、魚鱗坑路、搓板路、比利時路（甲）、長波路、短波路和高速環(huán)路進(jìn)行加速度信號的采集。將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、濾波、去尖峰值、轉(zhuǎn)換單位等一系列處理。處理好的比利時路（甲）中轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架Z向的加速度如圖1～3所示。

圖1 轉(zhuǎn)向管柱下支架Z向加速度信號

圖2 轉(zhuǎn)向器Z向加速度信號

圖3 轉(zhuǎn)向管柱上支架Z向加速度信號

2 多體建模

整車在行駛過程中，受到路面的激勵之后，車輪將該激勵先傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架系統(tǒng)；一方面激勵從轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂，一直傳遞到轉(zhuǎn)向器，另一方面激勵從懸架系統(tǒng)傳遞到車架，再分別傳遞到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱下支架和駕駛室；從轉(zhuǎn)向器傳遞到轉(zhuǎn)向管柱下傳動軸的激勵，經(jīng)由轉(zhuǎn)向節(jié)和車架 2條路線傳遞過來；傳遞到轉(zhuǎn)向管柱上支架的激勵從車架傳遞到駕駛室，最后在駕駛室中通過防火墻和儀表盤橫梁傳遞過來。路面激勵對轉(zhuǎn)向管柱及支架的載荷傳遞路線如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向管柱及支架的載荷傳遞路線

多體動力學(xué)模型除了轉(zhuǎn)向管柱及支架外，還要考慮駕駛室和車架。由虛擬迭代的相關(guān)理論可知，模型只需考慮連接處部件的影響。由于完整的駕駛室和車架有限元建模工程量巨大，且對計算機(jī)運(yùn)算能力要求高，因此需對駕駛室和車架做簡化。最終建立的多體動力學(xué)模型包含轉(zhuǎn)向管柱及支架的轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)、駕駛室和車架。

通常情況下普通構(gòu)件通過剛性體模擬，可以滿足要求。但是考慮轉(zhuǎn)向管柱支架、車架等的柔性變形及復(fù)雜結(jié)構(gòu)對分析結(jié)果的影響，需要使用柔性體來模擬，提高模型精確度。模型中對轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向管柱上支架、轉(zhuǎn)向管柱下支架、車架等做柔性處理。轉(zhuǎn)向管柱及車架系統(tǒng)由于主要受車架前半段的影響，而且車架整體模型過大，因此構(gòu)建車架柔性體時會保留前半段車架。轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向管柱上傳動軸總成、滑動軸總成、轉(zhuǎn)向管柱下傳動軸總成和轉(zhuǎn)向器輸入軸等做剛性體。駕駛室采用有質(zhì)量的小球模擬。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中空氣彈簧參數(shù)、駕駛室懸置參數(shù)通過試驗(yàn)獲得。車架、駕駛室、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型

3 虛擬迭代

3.1 虛擬迭代理論

虛擬迭代可以實(shí)現(xiàn)由傳遞函數(shù)和在時域內(nèi)的響應(yīng)信號（速度、加速度等）反求出驅(qū)動載荷（力或位移）[6]。虛擬迭代的方法通過模擬實(shí)際試驗(yàn)臺測試對模型進(jìn)行仿真，通過迭代的方法不斷調(diào)整模型中的參數(shù)以求出所需位置的載荷。這種方法可以代替結(jié)構(gòu)力測量或用于測量車輪載荷的傳感器，省去臺架試驗(yàn)，減少車輪和懸架等的建模（懸架彈簧、襯套等具有不確定因素）過程，減少載荷傳遞的前端路徑，減小誤差，節(jié)省成本，縮短分析時間，提高車輛開發(fā)的效率。

3.2 虛擬迭代判據(jù)

載荷譜的獲取是疲勞仿真分析中最重要的部分。通過噪聲信號激勵轉(zhuǎn)向管柱及支架、駕駛室和車架等剛?cè)狁詈隙囿w模型獲得傳遞函數(shù)，信號采集試驗(yàn)獲得的轉(zhuǎn)向管柱上支架、車架等 5處Z向加速度數(shù)據(jù)作為迭代目標(biāo)信號，在FEMFAT-Lab軟件中利用虛擬迭代的原理反求出車架前半段與前懸架左前Z向、右前Z向、左后Z向、右后Z向4個位置處的位移驅(qū)動。

虛擬迭代的效果取決于系統(tǒng)響應(yīng)信號和系統(tǒng)反函數(shù)能否模擬載荷激勵。但是實(shí)際上這些載荷激勵很難獲取，所以驗(yàn)證虛擬迭代的效果主要是把迭代出來的響應(yīng)信號與目標(biāo)信號進(jìn)行比較。通常會從相對誤差均方根、時間域和功率譜密度3個方面展開。系統(tǒng)響應(yīng)加速度信號和目標(biāo)加速度信號相對誤差均方根接近于 0，迭代收斂。時間域和功率譜密度趨勢和峰值一致，可以認(rèn)為迭代滿足要求。

以比利時路（甲）的加速度數(shù)據(jù)為例，評價虛擬迭代的結(jié)果。比利時路（甲）的加速度數(shù)據(jù)迭代5次后，5個通道加速度信號的相對誤差均方根如圖6所示。由圖6可知，迭代4次后，相對誤差均方根最接近0。轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架處Z向加速度信號與路測的目標(biāo)加速度信號的時域?qū)Ρ确謩e如圖7～9所示，實(shí)線為迭代4次后的Z向加速度信號，虛線為對應(yīng)目標(biāo)信號。從轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架3個關(guān)鍵位置Z向的迭代信號與目標(biāo)信號的曲線對比可知，曲線趨勢和峰值基本一致。車架與前懸架左前、右前、左后、右后 4個連接處位移譜如圖10～13所示。

圖6 迭代響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的相對誤差均方根曲線

圖7 轉(zhuǎn)向管柱下支架迭代4次后Z向加速度信號與目標(biāo)信號的時域?qū)Ρ葓D

圖8 轉(zhuǎn)向器迭代4次后Z向加速度信號與目標(biāo)信號的時域?qū)Ρ葓D

圖9 轉(zhuǎn)向管柱上支架迭代4次后Z向加速度信號與目標(biāo)信號的時域?qū)Ρ葓D

圖10 車架與前懸架左前連接處位移譜

圖11 車架與前懸架右前連接處位移譜

圖12 車架與前懸架左后連接處位移譜

圖13 車架與前懸架右后連接處位移譜

4 提取載荷譜

在ADAMS軟件中，將提取的4個位置位移作為實(shí)際位移驅(qū)動，添加到車架、駕駛室、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的多體動力學(xué)模型中，并在ADAMS/View中運(yùn)行仿真。待仿真結(jié)束后，讀取轉(zhuǎn)向管柱及支架分別與駕駛室、車架及轉(zhuǎn)向器連接處的載荷譜。轉(zhuǎn)向管柱及支架與駕駛室，轉(zhuǎn)向管柱及支架與車架，轉(zhuǎn)向管柱及支架與轉(zhuǎn)向器連接處Z向的載荷譜如圖14～16所示。

5 結(jié)束語

1）由于條件限制，在多體動力學(xué)建模時駕駛室簡化為一個集中質(zhì)量的剛性小球。在實(shí)際情況中，駕駛室有一定的彈性變形，對轉(zhuǎn)向管柱上支架影響較大，需要進(jìn)一步的柔性體建模研究。

2）虛擬迭代的迭代信號與目標(biāo)信號相比，幅值和趨勢基本一致，然而相對均方根值不理想，多體動力學(xué)模型的完整性、準(zhǔn)確性等都會產(chǎn)生誤差。

3）在虛擬迭代中，準(zhǔn)確地提取車輛零部件的載荷譜，對后期疲勞分析至關(guān)重要。虛擬迭代建立的多體動力學(xué)模型不用考慮懸架和車輪，不需要六分力儀，建模簡單，試驗(yàn)成本低。

圖14 轉(zhuǎn)向管柱及支架與駕駛室連接處Z向載荷譜

圖15 轉(zhuǎn)向管柱及支架與車架連接處Z向載荷譜

圖16 轉(zhuǎn)向管柱及支架與轉(zhuǎn)向器連接處Z向載荷譜

[1]吳澤勛，張林波，孟凡亮，等．基于虛擬迭代的轎車車身耐久性虛擬試驗(yàn)方法[J]．計算機(jī)輔助工程，2014，23（6）：37-40．

[2]汪隨風(fēng)，武振江，楊建森，等．基于整車動力學(xué)模型虛擬迭代仿真的轉(zhuǎn)向節(jié)載荷譜提取[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報，2015，29（11）：37-41．

[3]卞學(xué)良，馬松，楊建森，等．基于虛擬迭代的卡車駕駛室疲勞分析[J]．機(jī)械設(shè)計與研究，2017（3）：170-173．

[4]王良模，趙野，徐娟，等．基于虛擬迭代技術(shù)的汽車?yán)戎Ъ芷诜治鯷J]．江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，36（2）：130-135．

[5]張少輝．基于虛擬迭代的某商用車駕駛室疲勞壽命分析研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017．

[6]林曉斌．汽車疲勞耐久性解決方案[J]．汽車制造業(yè)，2007（9）：54-56．