乘用車整車誤用試驗軸頭載荷仿真研究

程穩(wěn)正 曹正林 趙晉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心 汽車振動噪聲和安全控制綜合技術(shù)國家重點試驗室）

乘用車整車誤用試驗軸頭載荷仿真研究

程穩(wěn)正 曹正林 趙晉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心 汽車振動噪聲和安全控制綜合技術(shù)國家重點試驗室）

以某C級轎車為研究對象，建立考慮強非線性特征的整車極限誤用工況全柔性仿真模型，按規(guī)范進行兩種誤用試驗的仿真研究，得到軸頭載荷，并與同工況實車測試進行對比研究。模型計算精度達到設(shè)計要求，表明這種在車型開發(fā)早期獲取誤用試驗軸頭載荷的仿真方法有效可行。

1 前言

為確保誤用工況下車輛的可靠性，準(zhǔn)確獲得軸頭力是強度設(shè)計的關(guān)鍵。文獻[1]、[2]提出的軸頭力經(jīng)驗公式均基于耐久性路面測試數(shù)據(jù)，不適用于誤用工況。分析不同車型誤用試驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在相同的試驗方法下軸頭G載荷相差很大，數(shù)據(jù)沿用性差。在數(shù)據(jù)積累有限的情況下，為降低誤用試驗成本、提高試驗通過率，迫切需要在車型開發(fā)早期能夠仿真誤用試驗，獲得載荷水平及失效模式。

誤用時存在強非線性，采用傳遞函數(shù)迭代軸頭力的方法存在較大誤差[3]，因此對于整車誤用試驗的仿真一直是個難點。Ray Hanley、Ch Oertel、Manfred Baecker等分別研究了誤用試驗的輪胎行為，驗證了仿真輪胎模型[4～6]；寶馬公司的Micro Hauke開展了整車誤用行為仿真研究，對部分連接點載荷進行了比較[7]；方杰等進行了輪胎機械特性虛擬試驗場研究[8]；曹正林等建立了虛擬試車場動力學(xué)輪胎模型[9]，開展了虛擬試車場的轎車懸架耐久性強化試驗仿真研究[10]。

本文以某C級轎車為研究對象，建立考慮強非線性特征的整車模型，根據(jù)試驗規(guī)范仿真了兩種誤用試驗，并與測試結(jié)果進行對比研究。

2 非線性處理方法

2.1 輪胎模型

以實車輪胎為研究對象，進行輪胎徑向剛度、扭轉(zhuǎn)特性和側(cè)偏特性的仿真分析，將計算結(jié)果與相同工況下的輪胎試驗臺測試結(jié)果進行對比，以驗證所建立的輪胎模型剛度特性的有效性。圖1為輪胎扭轉(zhuǎn)剛度仿真模型。圖2為試驗與仿真比較分析結(jié)果。具體建模及驗證過程見文獻[9]。

2.2 橡膠襯套

橡膠襯套在誤用工況下的特性影響與之相連接結(jié)構(gòu)的過載行為，需要考慮其在非線性下的力學(xué)行為。橡膠材料采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，相關(guān)的本構(gòu)參數(shù)可根據(jù)相關(guān)測試數(shù)據(jù)擬合獲取。

擬合過程如下：

a.按試驗方法進行襯套主要受力方向（徑向、軸向）剛度有限元分析，以試驗測試剛度為目標(biāo)，調(diào)整材料參數(shù)，直至達到合理的誤差范圍內(nèi)；

b.以第1步得到的材料參數(shù)進行非主要受力方向（扭轉(zhuǎn)方向）剛度有限元分析，驗證設(shè)置參數(shù)的有效性；

c.重復(fù)迭代，直至3個方向的剛度分析結(jié)果均在合理的誤差范圍內(nèi)；

d.擬合得到的本構(gòu)參數(shù)作為橡膠材料的屬性定義。

圖3為襯套徑向剛度有限元分析模型。圖4為襯套有限元分析的變形情況。

表1為剛度分析結(jié)果與試驗結(jié)果的比較。可知，剛度誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此得到的材料本構(gòu)參數(shù)可作為橡膠襯套建模的材料屬性輸入。

表1 襯套剛度

對于缺少試驗數(shù)據(jù)的橡膠襯套材料，可根據(jù)式（1）～式（4）計算得到［11］。

式中，E為彈性模量；μ為泊松比，對于橡膠材料μ≈0.5；G′為剪切模量；C1、C2為Mooney-Rivlin材料參數(shù)；HA為橡膠的邵爾硬度。

2.3 滑柱總成

前、后懸架的滑柱總成是懸架建模的關(guān)鍵，其包括減振器、彈簧和緩沖塊。減振器部分簡化為一個Cylin?der運動副和一個減振器單元，減振器單元的屬性來自于減振器的外特性曲線，圖5為前、后減振器懸架調(diào)校的速度-載荷曲線。但圖5中曲線速度只到±1 m/s，而誤用工況減振器的相對速度能達到7.5 m/s［7］，因此需要將該曲線進行延伸以考慮極限沖擊情況。彈簧部分簡化為一個線性剛度的彈簧單元。緩沖塊部分簡化為一個非線性的彈簧單元。整個滑柱總成模型見圖6。

彈簧的預(yù)載可以通過設(shè)定彈簧單元的初始偏移值來實現(xiàn)，初始偏移值計算方法如下：

式中，F(xiàn)為彈簧預(yù)載；k為彈簧剛度；L0為彈簧自由長度；l為模型中定義彈簧單元的兩個節(jié)點距離；l0為彈簧單元的初始偏移值。

3 整車模型與仿真

3.1 底盤模型

將副車架、控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、滑柱、輪胎等零件組裝到一起構(gòu)成底盤模型，圖7為前、后軸總成模型。各個零件之間用球頭、橡膠襯套連接，球頭采用球頭單元，橡膠襯套總成采用實體網(wǎng)格建模，襯套總成的內(nèi)、外套管與各自相連接零件定義連接關(guān)系。

3.2 整車模型組裝及配重

整車的仿真模型主要包括車身、底盤、動力總成等。依據(jù)車型各主要子系統(tǒng)質(zhì)量進行模型配重，模型不包括內(nèi)飾、電子電器、被動安全等部分，這些質(zhì)量用質(zhì)量單元將其附加到相關(guān)位置的節(jié)點上。滿載狀態(tài)5個乘員按每人75 kg計算，后備箱貨物按60 kg計算。配重后的模型質(zhì)心位置與實車位置比較見表2。

表2 質(zhì)心位置比較 mm

3.3 路面模型

依據(jù)試驗規(guī)范對路面的要求建立路面模型，共仿真兩種路面，其分別為橫向溝槽與橫木障礙。路面模型如圖8所示。

3.4 誤用試驗仿真

將整車模型及路面模型組裝在一起，定義相關(guān)的載荷條件與控制參數(shù)，建立整車仿真模型。整個計算模型單元為442 299個，節(jié)點數(shù)為337 982個。為了節(jié)省運算時間，將部分零件及總成定義為剛體材料，整車誤用仿真模型見圖9。

施加整車G載荷，定義行駛速度，預(yù)留一定的穩(wěn)定G載荷的時間，載荷結(jié)果輸出時間間隔0.005 s，圖10為橫向溝槽試驗過程仿真。

4 實車試驗

在試驗車底盤零件上粘貼電阻應(yīng)變片，模擬實車受力狀態(tài)對載荷進行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上進行實車誤用試驗輪心載荷測試。根據(jù)該轎車前、后懸架的部件特點，對表征車輪載荷的相應(yīng)部件測點進行篩選和布置。主要測試載荷為前輪縱向載荷、垂向載荷和后輪垂向載荷。其余方向由于部件測點應(yīng)變與車輪載荷相對關(guān)系不明顯而未進行測試。前輪縱向載荷測點位置為前下控制臂中間部位，垂向載荷表征點為前下控制臂球頭附近；后輪垂向載荷表征點為彈簧臂中間部位。

根據(jù)誤用工況試驗規(guī)范要求，實車以指定的行駛車速通過橫木障礙和橫向溝槽路面，每個工況進行兩次試驗，并進行數(shù)據(jù)采集。

5 仿真與試驗結(jié)果比較

5.1 載荷歷程

圖11為橫向溝槽誤用試驗后左輪垂向軸頭力仿真與測試結(jié)果的比較。由于測試信號為動態(tài)載荷，為便于比較將其數(shù)值加上靜態(tài)輪荷得到絕對載荷。從載荷峰值看，仿真結(jié)果與測試結(jié)果相差不大。由于減振器在相對速度較大時的特性由經(jīng)驗給出，與實際性能存在差別，載荷衰減階段仿真的軸頭載荷歷程存在振蕩，因此與測試結(jié)果存在差別。從時間軸看，從輪胎再次接觸路面到出現(xiàn)極大峰值，仿真結(jié)果與測試結(jié)果存在0.03 s的時間差，表明輪胎變形響應(yīng)時間和滑柱總成下跳所處的位置與實際存在差別。仿真模型較準(zhǔn)確的獲得了軸頭力峰值，但要想準(zhǔn)確模擬整個動態(tài)過程，模型仍需進一步調(diào)試。

5.2 相對輪荷

表3統(tǒng)計了載荷峰值時仿真和試驗的G載荷（兩次試驗的平均值）的比值。可知，橫向溝槽工況仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，而橫木障礙工況下前輪精度較高，后輪垂向載荷仿真結(jié)果比試驗結(jié)果大1.35倍。總體看，載荷峰值仿真結(jié)果具有較高的精度。

表4為兩種試驗仿真G載荷的比值。可知，橫向溝槽工況均明顯大于橫木障礙工況。對于懸架系統(tǒng)強度設(shè)計，應(yīng)重點關(guān)注橫向溝槽工況，結(jié)構(gòu)設(shè)計時以該工況的軸頭力載荷進行零部件的強度校核。

表3 仿真與試驗G載荷比值

表4 兩種試驗仿真G載荷比值

需要指出的是，誤用工況車輛通過障礙時產(chǎn)生的軸頭力受到輪胎、懸架參數(shù)、軸距、質(zhì)心等多個影響因素的影響，不同級別的車型、不同類型的懸架、不同大小的輪胎均會影響軸頭載荷的大小，因此需要不斷完善仿真模型及不斷的數(shù)據(jù)積累才能找到較為可靠的誤用工況軸頭載荷。

6 結(jié)束語

建立了某C級轎車的整車誤用工況虛擬試驗?zāi)Ｐ停M行了兩種誤用試驗的仿真分析，獲得了軸頭載荷值，并同試驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明：

a.橫向溝槽試驗工況前、后輪軸頭載荷具有較高的仿真精度；橫木障礙工況前輪軸頭載荷精度較高，后輪垂向載荷大于試驗結(jié)果。

b.對比兩種試驗的分析結(jié)果，橫向溝槽工況存在較大的垂向軸頭力和軸頭縱向力，對于懸架系統(tǒng)強度設(shè)計，應(yīng)重點關(guān)注該工況。

c.通過建立整車誤用工況虛擬試驗，仿真結(jié)果達到預(yù)期精度要求，該方法可行。

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3 靳暢，周鋐，慕樂.基于頻響函數(shù)法的路面激勵下車輪軸頭力的估計.汽車工程，2014,36（4）:469～474.

4 Ray Hanley，David Crolla，Micro Hauke.Tire Modeling for Misuse Situations.SAE papers 2001-01-0148.

5 Manfred Baecker，Axel Gallrein，Hitoshi Haga.A Tire Mod?el for Very Large Tire Deformations and its Application in Very Severe Events.SAE papers 2010-01-0373.

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7 Micro Hauke.Simulation of full vehicle misuse behavior.SAE papers 2004-01-0192.

8 方杰，吳光強.輪胎機械特性虛擬試驗場.計算機仿真，2007,6:243～247.

9 曹正林，李駿，郭孔輝.虛擬試車場動力學(xué)輪胎模型技術(shù)研究.汽車技術(shù)，2012（4）:13～16.

10 曹正林，李駿，郭孔輝.基于虛擬試車場的轎車懸架耐久性強化試驗仿真研究.機械工程學(xué)報，2012（5）：122～127.

11 戴永謙，宋希庚，薛冬新，等.發(fā)動機懸置軟墊初始斷裂位置及斷裂面預(yù)判.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005（10）：23～25.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

6 結(jié)束語

a.建立某農(nóng)用車發(fā)動機GT-POWER模型并進行試驗驗證，最大功率計算值與試驗值誤差為2.48%，模型較為準(zhǔn)確。

b.建立整車?yán)鋮s系統(tǒng)GT-COOL模型并進行適當(dāng)簡化，將散熱器模型作多孔介質(zhì)區(qū)域處理，求取其芯部的流動特性參數(shù)和換熱特性參數(shù)；基于GT-POWER模型，求取冷卻系統(tǒng)中發(fā)動機模型的熱邊界條件和散熱器換熱特性參數(shù)。仿真求得散熱器出水口溫度為362.7 K，試驗測得散熱器出水口溫度為362 K，誤差在0.2%以內(nèi)。

c.將散熱器模型和發(fā)動機模型在STAR-CCM+軟件中耦合，分析水泵流量對系統(tǒng)特性參數(shù)的影響，得出水泵流量在0.8 kg/s時該散熱器性能得到充分發(fā)揮且燃燒室溫度比較合適。

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13《STAR CCM+User Guide》.CD-adapco,2011.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Simulation Research on Spindle Loads of Passenger Car in Misuse Tests

Cheng Wenzheng,Cao Zhenglin,Zhao Jin
（State Key Laboratory of Technology on Automobile NVH&Safety Control,China FAW Co.,Ltd R&D Center）

In this study,a C-class car is taken as a research object,a full flexible vehicle model for misused tests simulation is established with consideration of the extremely nonlinear characteristic.Then,simulation research is conducted for two misuse tests according to specifications,and the spindle load is obtained,which is compared with that obtained from real vehicle test.The results show that the model calculation precision satisfies design requirement, indicating that the method to obtain the spindle loads in misuse test during the early development phase is feasible.

Misuse test，Spindle load，Virtual test，Passenger car

誤用試驗 軸頭載荷 虛擬試驗 乘用車

U467

A

1000-3703（2015）11-0034-05