基于虛擬試驗臺的車身結構壽命預估與改進設計*

馬扎根，陳棟華，胡文偉，連志斌，胡毓冬

(上海大眾汽車有限公司產品工程部，上海 201805)

2016141

基于虛擬試驗臺的車身結構壽命預估與改進設計*

馬扎根，陳棟華，胡文偉，連志斌，胡毓冬

(上海大眾汽車有限公司產品工程部，上海 201805)

轎車開發過程中的傳統耐久性試驗存在嚴重依賴物理樣車、試驗周期長和費用高等缺點，本文中基于虛擬試驗臺技術，綜合應用試車場道路載荷測量、剛柔耦合多體系統動力學模型和道路模擬虛擬迭代等技術，在轎車開發的結構設計階段實現白車身結構疲勞壽命的有效預估與改進設計。將結構弱點的壽命計算值與后續實車的試驗值進行對比分析，結果表明兩者基本一致，證明通過“整車-臺架”系統的虛擬耐久試驗可在制作物理樣車之前實現車身結構壽命的有效預估與改進設計。

虛擬試驗臺；虛擬迭代；疲勞壽命預估；改進設計

前言

耐久性虛擬試驗技術是指綜合應用計算機仿真技術代替實車的道路試驗和試驗室臺架模擬試驗，從而實現目標零部件疲勞壽命的數字化仿真計算與優化設計。文獻[1]中首先研究了如何應用實車試驗數據和虛擬仿真技術來優化轎車開發過程中的耐久性試驗過程；文獻[2]中給出汽車開發過程耐久性分析研究的基本流程；文獻[3]中研究了虛擬試驗模型在耐久性開發過程中的應用；文獻[4]中將多體動力學和有限元法有機結合起來實現目標零部件耐久性的仿真分析；文獻[5]中系統地闡述了虛擬試驗模型的驗證理論和方法。

目前，世界各大汽車公司把更快地向用戶提供最新的車型作為領先對手的重要途徑之一，如何應用虛擬試驗技術縮短轎車的研發周期成為關注的焦點。本文中以某轎車開發為例，詳細介紹一套完整的“整車-臺架”系統的虛擬耐久試驗技術理論和方法，以實現在物理樣車之前，進行車身結構壽命的有效預估與優化設計，可大大減少后續開發中實車耐久性認可試驗的輪數。

1 基于目標基礎車的試車場載荷測量

準確可靠的道路載荷數據是轎車早期開發階段進行耐久性虛擬試驗的基礎和關鍵所在，而這時根據全新設計試制的第一輛樣車還遠遠沒有出現，但為了解決開發中所需的各種實車試驗數據，引入以擬開發車型為目標的基礎測量車(簡稱目標基礎車,下同)，即通過改裝現有車輛，如改裝車身使其加長或縮短，加裝與目標車輛相近的懸掛系統和動力總成系統等，使其整車質量、輪距和軸距，底盤前后懸掛系統的形式與參數，動力總成參數等關鍵指標與開發中的目標車輛一致。

在確保目標基礎車的狀態完全符合GB/T 12534—1990《汽車道路試驗方法通則》規定的情況下，構建如圖1所示的測試系統，試驗所用到的主要儀器和設備見表1。采集的信號包括底盤關鍵位置處的加速度、懸架動撓度和車輪中心六分力(3個力和3個力矩)信號等。

儀器名稱型號制造商位移傳感器SN-1121/2Micro-Epsi加速度傳感器壓電/變電容PCB/ASC六分力測量輪S650SpinningKISTLER數據采集系統imc-32IMC

試驗道路為上海大眾轎車專用試車場強化耐久道路，按照試驗標準的要求由專業駕駛員駕車完成5～7個循環的道路載荷采集試驗。將采集得到的試驗數據進行標定、消除奇異值與趨勢項，以及進行統計分析和數據平穩性檢驗等，最終選取1個完整循環數據作為后續虛擬計算的目標載荷。

2 “整車—臺架”系統建模及目標信號虛擬迭代

眾多研究成果表明，用實車試車場道路測量得到的車輪中心六分力直接加載到車身完全自由的整車多體模型上，由于存在重力而無法完全平衡等問題，會造成計算不收斂以至于模型完全傾覆等技術障礙[6]。工程上針對該難題的解決辦法是，通過引入虛擬試驗臺和實車測量的目標信號，通過虛擬迭代的方法來解決[7]。

2.1.1 整車剛柔耦合虛擬建模

建立整車的耐久性虛擬試驗模型涉及的內容很多，本文中著重介紹剛柔耦合多體模型的建模方法，柔性體建模的理論和方法是關鍵技術。對目標部件通過有限元離散化處理，得到柔性體模型。柔性體模型上任意點i的坐標(如圖2所示)可定義為

r=R+A(s+u)

(1)

式中：R為參考點相對于全局坐標系XYZ的位置；A為局部坐標系xyz相對于整體坐標系XYZ的變換矩陣；矢量s為結構未變形時i相對于參考點的位置；矢量u為結構的變形量；矢量r為結構變形后i相對于全局坐標系XYZ的位置。

應用模態綜合法生成結構的柔性體模型時，結構的變形u通過正交模態振型的線性疊加得到。一般情況下，模態振型可以通過有限元模型的靜態求解和特征值求解法獲得：

u=ust+udyn=φstast+φdynadyn

(2)

kφst=F

(3)

[k-ωM]φdyn=0

(4)

式中：ust和udyn分別為結構的靜態和動態變形；φst和φdyn分別為結構的靜態和動態振型；ast和adyn分別為結構靜態和動態振型的影響因子；k為模態剛度矩陣；M為模態質量矩陣；F為結構所受邊界力矩陣；ω為模態頻率。

本文中采用Craig-Bampton[8-9]法來獲得模態振型。其各階振型完全線性獨立，既反映邊界載荷的影響，也包含結構的主模態特征。獲取Craig-Bampton模態的步驟如下：(1)定義有限元模型的邊界載荷作用點；(2)在邊界載荷點的每個自由度上施加單位力或單位位移，而其余載荷點施加相應的約束，進行求解；(3)求解邊界載荷點固定狀態下的正則模態；(4)將上述結果綜合起來，并完成振型的正則化處理以確保相互之間完全線性獨立。

一般而言，剛柔耦合系統的多體動力學方程可定義為

(5)

式中：M為質量矩陣(下標r表示剛體坐標系，下標m表示模態坐標系，下同)；φq為約束方程相對于各自廣義坐標的雅克比；q為廣義坐標向量；Fr為廣義力向量；Fm為模態力向量；λ為拉格朗日系數；γ為雅克比系數。

在建立整車系統的多體剛體動力學模型之后，根據上述原理將其中的車身和底盤前懸掛系統中的橫向穩定桿進行柔性化處理，其中，車身的截止模態頻率為150Hz，橫向穩定桿的截止模態頻率的300Hz，即可得到整車剛柔耦合多體動力學模型。

2.1.2 整車四通道虛擬試驗臺建模

本文中以在車身結構疲勞強度試驗領域應用最為廣泛的輪胎耦合整車四通道道路模擬試驗臺為目標，建立虛擬試驗臺模型，具體包括試驗臺機械系統、電-液伺服和傳感器測量反饋系統等。之后需要調試整個虛擬試驗臺系統的動態響應特性，使其與真實的試驗臺保持高度一致，這是后續虛擬迭代工作的基礎，也是確保虛擬計算獲得的車身預估壽命值與后續實車臺架試驗具有可比性的關鍵所在[10]。

結合之前建立的整車多體模型，最終建立的剛柔耦合虛擬試驗模型如圖3所示。

2.2 基于虛擬試驗臺的實車載荷迭代再現

本文中在FEMFAT軟件環境中，應用多輸入多輸出(MIMO)系統時域波形再現(TWR)技術，在“整車-臺架”虛擬試驗系統中完成輪胎耦合的虛擬整車四通道實車目標載荷的模擬迭代。虛擬迭代過程的具體過程包括[11]：(1)以液壓作動器的4個輪胎托盤位移為輸入信號，以車輪中心垂向力為響應信號，通過粉紅噪聲激勵獲取虛擬系統的頻率響應函數(FRF)模型；(2)以試車場實車測得的車輪中心垂向力為目標信號，結合系統的頻率響應函數(FRF)獲得液壓作動器的初始驅動信號；(3)通過15次迭代使虛擬系統的車輪中心垂向力逐步逼近實車目標信號；(4)以第15次獲得的驅動信號作為后續虛擬耐久試驗的最終激勵信號，完成某一特定里程的虛擬耐久試驗。

2.2.1 車輪中心垂向力虛擬迭代結果對比分析

作為迭代控制的目標，虛擬模型中的垂向力與實車測量結果的時域波形具有很高的一致性。另外，進一步比較其最大值、最小值、標準差和偽損傷值等統計特性，結果見表2，以獲得虛擬迭代精度的定量誤差分析；所有指標的模擬精度均在±15%之內，且對疲勞壽命響應最為密切的偽損傷值模擬精度更是在±15%之內，遠遠小于行業內普遍認可的[50%～200%]這一范圍。

表2 車輪中心垂向力虛擬迭代結果與試驗結果對比

2.2.2 懸架動態撓度虛擬迭代試驗結果對比分析

精準模擬載荷的傳遞路徑是成功進行車身壽命預估的關鍵，因此在虛擬迭代過程中還必須解決懸架系統動撓度的仿真精度問題，以確保從輪胎傳遞到車身上載荷的準確性。提取虛擬試驗模型中懸架彈簧(以后懸彈簧為例)的相對位移(即懸架動撓度)，與實車試車場采集信號進行對比，其結果如圖4所示。可以看出兩者的時域信號相當一致。

綜上所述，通過虛擬迭代成功實現試車場實車道路載荷在虛擬試驗臺架系統的時域波形再現，為后續的車身疲勞壽命預估奠定基礎。

3 車身結構疲勞壽命的仿真與改進設計

在完成虛擬試驗的目標信號迭代再現之后，以獲得的驅動信號作為虛擬耐久試驗的最終激勵信號，完成試車場8 000kg的虛擬耐久試驗。將虛擬計算得到的車身柔性體模型的模態參與因子函數提取出來，包括車身與底盤之間所有連接硬點的所有約束載荷，將其作為有限元模型進行疲勞壽命預估的邊界載荷。其中車身硬點的定義(以底盤為參照系)如圖5所示。

3.1 車身結構疲勞壽命的仿真預估

考慮到車身結構總成屬于中高疲勞壽命范圍，應用S-N曲線預估疲勞壽命[12]。根據車身結構不同的鈑金材料屬性分別設定其疲勞參數，然后采用應力-壽命法估算疲勞壽命。例如，某材料疲勞屬性(應力比R=-1)設定如下：疲勞極限δE=83MPa，對應的NE=107，拉伸極限和壓縮極限分別為465和1 350MPa，S-N曲線的斜率為7，表面狀態修正系數β=0.91，尺寸修正系數為0.89，材料的S-N曲線如圖6所示。需要特別說明的是，大量研究成果表明：在中等塑性范圍內，零件缺口根部的最大應力和應變值可以通過有限元法(局部有限單元模型細化)進行有效的模擬，因而無需設置缺口應力集中系數Kt來修正S-N曲線[6,12-13]。

設置疲勞損傷累加原則為法則，當損傷的累加為1時結構失效；并用法則對S-N曲線進行修正。利用疲勞求解器Durability完成副車架的疲勞壽命預估，損傷云圖用對數坐標表示，如圖7所示。車身疲勞強度薄弱環節主要集中在結構中缺口位置附近、截面或幾何面曲率突變處和某些焊點與焊縫的局部位置處，總體而言與結構本身的強弱和局部的應力集中有很大關系。

3.2 車身結構疲勞失效弱點的改進設計

根據車身疲勞壽命預估結果，判斷車身后部左右對稱的6個焊點局部區域存在較高的疲勞強度失效風險。進一步分析這些局部區域的應力分布，發現是由于焊點周圍的應力集中造成的，故決定在該3層鈑金之間各增加規格為35mm×10mm×3mm(長×寬×高)的膠水涂層以改善局部區域的應力集中，如圖8所示。

對改進后的方案重新進行虛擬耐久試驗，結果如表3所示。由表可見，改進后焊點的疲勞壽命有大幅提高，且預期壽命明顯大于安全里程數。

表3 改進設計前后的焊點疲勞壽命對比

3.3 車身結構改進設計方案的實車試驗驗證

在后續針對試制樣車和預批量樣車的整車四通道臺架試驗和試車場強化耐久道路試驗中，相關的這6個焊點區域均沒有失效情況發生，進一步驗證了疲勞壽命預估值的準確性和改進設計方案的有效性。

4 結論

本文中詳細論述如何將汽車多體仿真技術、虛擬試驗臺技術，以及多輸入多輸出系統時域波形再現技術等綜合起來，實現轎車開發過程中車身這一關鍵核心結構件的疲勞壽命預估與改進設計。該方法與傳統的實車試驗相比可以減少試驗的輪數，從而大大縮短轎車耐久性試驗的周期，并節省費用，是一套可供同行借鑒的完整流程，具有較高的工程應用價值。

[1] FERRY W B, FRISE P R. Combining virtual simulation and physical vehicle test data to optimize durability testing[C]. 2002 Daimler Chrysler Corporation Fatigue Fract Engng Master Struct 25,2002:1127-1134.

[2] ALDRIDGE Dustin S. A general process for defining product durability requirements[J]. IEST,2004,33(6):41-46.

[3] NEUWIRTH E, HUNTER K, SINGH P. Experience in use of a virtual test laboratory (VTL) for dynamic multi body simulation(MBS)of full vehicle durability testing[J]. VDI-BERICHTE,2004,Nr,1846.

[4] CARLBOM P. Combining MBS with FEM for rail vehicle dynamics analysis[J]. Multibody System Dynamics,2001,6.

[5] DITTMANN K, ALBRIGHT F, LESER C. Validation of virtual prototypes via a virtual test laboratory[C].17th European MSC.ADAMS User Conference,2002.

[6] 陳棟華.轎車底盤零部件耐久性虛擬試驗理論與方法研究[D].上海:同濟大學汽車學院,2007.

[7] 楊振宇.基于虛擬試驗臺的汽車道路模擬試驗研究[D].上海:同濟大學汽車學院,2007.

[8] CRAIG R, BAMPTON M. Coupling of substructures for dynamics analysis[J]. AIAA Journal,1968,6(7).

[9] DU H. Simulation of flexible rotating crankshaft with flexible engine block and hydrodynamic bearings for a V6 engine[C]. SAE Paper 1999-01-1752.

[10] 胡毓冬,周鋐,徐剛.整車道路模擬虛擬試驗臺研究[J].汽車工程學報,2014(2):137-142.

[11] 陳棟華,周鋐,靳曉雄.汽車室內道路模擬試驗系統控制算法的研究[J].噪聲與振動控制,2006(1):31-35.

[12] 姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京:國防工業出版社,2003.

[13] 酈明,顧柏良,魯三才.汽車結構抗疲勞設計[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1995.

Life Prediction and Modification Design of Car BodyStructure Based on Virtual Test Bench

Ma Zhagen, Chen Donghua, Hu Wenwei, Lian Zhibin & Hu Yudong

ShanghaiVolkswagenAutomotiveCo.,Ltd.,Shanghai201805

The traditional durability testing in car development process has the defects of real prototype dependency, long test cycle and high cost etc. In this paper, based on virtual test bench technique, and comprehensively applying the technologies of road loading measurement on proving ground, rigid-flexible coupled multi-body dynamics model and road simulation virtual iteration, the effective prediction on the fatigue life and the modification design of body-in-white structure in the structural design stage of car development are achieved in this paper. The fatigue lives calculated at the weak points of structure are compared with subsequent real vehicle test data. The results show that they are basically consistent with each other, demonstrating that the virtual durability test on “vehicle-test bench” system can fulfill the effective life prediction and modification design of car body structure before real prototype is made.

virtual test bench; virtual iteration; fatigue life prediction; modification design

*上海市優秀技術帶頭人項目(14XD1420700)資助。

原稿收到日期為2015年5月14日，修改稿收到日期為2015年8月4日。