基于實測載荷譜的雙叉臂懸架下擺臂疲勞壽命預測

馬良燦 紀浩 符琳 李小珊 覃寶海

摘 要：本文通過實測某雙叉臂后獨懸車在試驗場隨機載荷譜，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯合仿真，迭代分解出雙叉臂下擺臂各連接點處的載荷譜，并通過時域、偽損傷等指標對迭代結果進行收斂性評價。同時用分解的載荷譜對下擺臂的疲勞壽命進行了預測，下擺臂減振器支架的焊縫疲勞壽命為0.63，與實車表現誤差為11.3%，很好的預測了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。

關鍵詞：疲勞壽命 載荷譜 迭代分解 下擺臂

1 前言

雙叉臂獨立懸架因優越的操控性和乘坐舒適性被許多車型開發使用[1，2]，但因懸架的特殊結構形式，下擺臂的受載大，易出現疲勞開裂失效等問題[3]，汽車結構件的疲勞失效已是各大整車廠關注的重點。汽車結構件疲勞耐久壽命評估的傳統方法是整車試驗場道路耐久試驗，該方法最直接且最有效的方法，但因試驗周期長、需消耗大量的人力和經費，且若試驗中出現疲勞失效問題，不易實施新方案的驗證[4]。實測路譜載荷激勵結合CAE疲勞壽命仿真技術已成為汽車結構疲勞壽命預測的主要途徑[5]。藤瑞品[6]等提出一種采用二維隨機載荷的當量載荷概率密度函數進行數值積分的疲勞壽命計算方法，研究了汽車彈簧疲勞耐久壽命的評估.Kim等[7]提出了一種計算車輛動載荷的CAE仿真方法，使用剛柔混合模型對車體結構進行了耐久分析。獲取正確的邊界載荷已成為準確預測零部件疲勞壽命的關鍵技術指標。

本文通過實測某雙叉臂后獨懸車在試驗場各典型工況路面的隨機載荷譜，通過虛擬迭代的方法，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯合仿真，獲取雙叉臂下擺臂各連接點處的載荷譜，并通過時域、偽損傷等指標對迭代結果進行可靠性評價，同時用分解的路譜載荷對下擺臂的疲勞壽命進行了預測。本文旨在為汽車懸掛零部件疲勞分析提供可行的虛擬數值仿真分析方法。

2 路譜的采集與處理

2.1 試驗車路譜的采集

采用LMS SCADAS Mobile72通道數采、MSCLW12.8六分力傳感器、拉線位移傳感器、加速度傳感器、應變片等設備對某雙叉臂車型在某試驗場的路譜數據進行了采集，采集通道數據、采集信號類型及通道分配數據統計見表1所示。各傳感器的布置如圖1所示，其中彈簧、轉向拉桿的應變需要做標定試驗。本次采集數據基于該雙叉臂車型在某試驗場的耐久試驗規范，試驗場包括中等比利時路、凸塊路、搓板路、破損水泥路等10種典型路面，對各典型路面各采集3次，并確保采集數據包含所有通道的準確信號。

2.2 路譜數據的處理

試驗場共5條道，10種典型路面，采集完成的路譜數據見圖2。因不同的路面特征有著不同的強度等級和頻率特征，各個典型路面間也存在平整過渡路面，故需要對各典型路面進行切割。同時各信號也要根據采集信號的具體頻譜進行濾波、去除毛刺，處理漂移等信號處理。根據張覺慧[8]等對路譜樣本選擇方法的研究，本文采用Rossow抽樣原則對各信號的路譜數據樣本進行選擇，確定最終用來做迭代的原始測試信號。

3 路譜的迭代與分解

3.1 動力學模型的搭建

動力學模型與測試車輛的一致性是路譜迭代分解的結果保證的基礎，為了保證仿真模型與測試車輛的傳函一致需對實車進行KC、質心慣量、四輪定位等測量，對各彈性元件進行剛度、阻尼的測量。根據該車型的底盤動力學參數，包括硬點坐標、橡膠襯套剛度阻尼、彈簧剛度、減振器阻尼、實測KC數據，底盤各零部件的重量、質心、慣量等參數，搭建完成的整車動力學模型見圖3所示。為保證模型精度，需注意：1）橡膠襯套的剛度實測數據范圍達不到車輛惡劣工況的工作范圍，需對襯套剛度曲線做擬合延伸;2）仿真的KC數據要與實測的KC數據吻合;3）仿真模型的質心、慣量等物理參數要和實驗臺測量數據吻合;4）彈簧的半載整車仿真載荷與實測載荷一致;5）仿真整車動力學模型輪荷要與實測輪荷相一致。半載狀態下彈簧長度、輪荷的仿真與實測數據對比見表2所示。仿真KC與實測KC的對比見圖4所示。

3.2 虛擬迭代原理

基于輸入、輸出與穩定頻響系統具有一一對應關系的控制理論，通過反復的迭代逼近解決傳函矩陣線性而整車動力學模型非線性的矛盾問題。整車動力學模型傳函F（s）通過輸出信號y0（s）與輸入信號u0（s）的比值得出，F（s）=y0（s）/u0（s）。首次的輸入信號u1（s）通過傳函的逆矩陣乘期望信號等到，u1（s）=F-1（S）yd（s）。通過不斷的比較yd與yn，當yd與yn差值滿足誤差要求時，認為迭代收斂，un+1（s）=un（s）+F-1（S）（yd（s）-yn（s））。

3.3 迭代收斂性判據

通過對比評價仿真響應與測量信號的吻合度來判斷路譜迭代的收斂性，期望信號與仿真信號的時域對比如圖5所示，分別展示了右前輪軸頭加速度、右后輪心Z向力的時域信號對比，鑒于篇幅限制不對其他信號對比做一一展示。圖6展示了輪心Z向力、軸頭Z向加速度、彈簧位移、前拉桿應力、下擺臂應力的相對偽損傷對比，各通道的對比值均在0.5～2的范圍內，滿足迭代收斂判據的要求。

通過以上判據的對比研究，認為迭代模型達到收斂的狀態。本文將分解出來的彈簧力與路譜測試的彈簧力再進行了對比研究，結果如圖7所示。從圖7中可看出，迭代分解出的彈簧力與試驗場實測值吻合度極高，更進一步的驗證了路譜動載迭代的可靠性。

4 雙叉臂懸架下擺臂疲勞壽命分析

基于上一章節分解得到的下擺臂各接口的試驗場隨機譜載荷，采用nCode對擺臂進行疲勞壽命分析預測，最終分析結果如圖8所示。從分析結果看，下擺臂減振器支架的焊縫端頭損傷最大為1.59，該點處的疲勞壽命為0.63。該處焊縫實車的路試壽命為0.71，分析結果與實車表現誤差為11.3%，能很好的預測了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。

5 結論

本文通過實測某雙叉臂后獨懸車在試驗場各典型工況路面的隨機載荷譜、加速度、拉線位移、應變等信號，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯合仿真，迭代出整車動力學模型的邊界載荷，并通過時域、偽損傷等指標對迭代結果進行收斂性評價，再分解出雙叉臂下擺臂各連接點處的載荷譜，同時用分解的路譜載荷對下擺臂的疲勞壽命進行了預測。

下擺臂減振器支架的焊縫端頭損傷最大為1.59，該點處的疲勞壽命為0.63。該處焊縫實車的路試壽命為0.71，分析結果與實車表現誤差為11.3%，能很好的預測了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。通過本為汽車懸掛零部件疲勞分析提供可行的虛擬數值仿真分析方法。

柳州市科技計劃項目（2018AA20502）資助。

參考文獻：

[1]徐石安.汽車構造：底盤工程（第 2 版）[M].北京：清華大學出版社，2011.11.

[2]劉艷，廖美穎，郭紹良等.高位斜置雙叉臂獨立懸架力傳導機構的開發與應用[J].客車技術與研究.2014，01：48-50.

[3]約森·賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學[M].王誼，譯. 長春：吉林科學技術出版社，1992.

[4]龔春輝，葛文韜，段龍楊等.基于虛擬迭代方法的后扭力梁載荷譜提取[J].汽車實用技術.2018，17（2）：54-57.

[5]宏軍，韓旭，陳志夫等.某轎車結構載荷譜采集與分析[J].湖南大學學報（自然科學版）.2013，39（12）：32-36.

[6]藤瑞品，宋曉琳，劉國云等. 基于Monte-Carlo擬合的二維隨機載荷作用下汽車彈簧疲勞耐久性研究[J].汽車工程.2019，41（12）：1450-1458.

[7]Kim H S，Yim H J，Kim C B.Computational durability prediction of body structure in prototype vehicles[J].International Journal of Automotive Technology，2000，23（1）：129-135.

[8]張覺慧，金鋒，余卓平.道路模擬試驗用載荷譜樣本選擇方法[J].汽車工程，2004，26（2）：220—223.