虛擬試驗載荷分析與試驗驗證研究

王長明　曹正林　彭亮　李云鵬　趙晉（中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130011）

虛擬試驗載荷分析與試驗驗證研究

王長明曹正林彭亮李云鵬趙晉
（中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130011）

基于某C級轎車實測數據在ADAMS/CAR中建立了整車多體動力學模型、虛擬臺架模型和數字化路面模型，以臺架和整車的實物試驗工況為輸入條件，通過虛擬臺架試驗分析和虛擬整車試驗分析獲取了整車級和系統級工作載荷，并利用實際試驗結果對其進行驗證。結果表明，虛擬試驗分析所得載荷結果與實際試驗結果在時域、頻域和相對損傷趨勢方面基本一致，該虛擬試驗分析模型可為整車和系統級疲勞壽命分析和結構優化提供有效的載荷邊界條件。

主題詞：虛擬試驗多體仿真數字化路面

1 前言

目前，整車、系統和零部件疲勞壽命的評價方法主要有實物試驗驗證和虛擬試驗驗證2種，為減少臺架試驗和道路試驗次數、縮短產品研發周期及降低研發成本，通常采用虛擬試驗驗證部分或全部替代實物試驗驗證。本文以實車樣件測試數據、臺架三維模型和路面高程數據等為參數輸入，在ADAMS/CAR中建立了某C級轎車整車多體動力學模型、虛擬臺架和數字化路面模型，利用軟件型虛擬試驗技術中的半解析法和完全解析法［1～4］進行了后懸架系統虛擬臺架靜態、動態特性分析和虛擬整車模型數字化路面的試驗載荷分析，并分別與臺架試驗結果和試驗場路面的測試結果進行了對比，驗證了該虛擬試驗模型的分析精度。

2 試驗載荷譜測試

對某C級車分別進行整車試驗場典型路面試驗和懸架總成與整車臺架試驗的載荷譜測試。由于所采集的試驗數據存在零漂、野點和趨勢項等問題，必須對數據進行預處理。

2.1 試驗場載荷譜采集

在一汽農安汽車試驗場耐久路典型路面和誤用路面上進行試驗車輛的道路載荷數據采集［5］，主要測試參數見表1。采集完成后，對載荷譜數據進行預處理使其可直接用于模型驗證分析。

2.2 臺架試驗載荷譜采集

對試驗對象進行了前懸架、后懸架總成和整車系統等臺架試驗的載荷數據采集。其中，懸架總成臺架試驗項目包含縱向、垂向和側向準靜態加載臺架試驗、多軸動態加載臺架試驗，整車系統的試驗項目為整車多軸加載的MTS試驗系統臺架試驗。

表1　主要測試參數通道

圖1為后懸架總成縱向準靜態加載和整車多軸動態加載的臺架試驗照片。

圖1　實物臺架加載試驗

3 虛擬試驗分析

3.1 虛擬試驗分析模型

3.1.1 整車多體動力學模型

根據獲取的整車多體動力學模型參數，在ADAMS/ CAR中建立了試驗車整車動力學模型，如圖2所示。整車模型中包含車身、前懸架、后懸架、動力總成、轉向系統和輪胎等。

圖2　試驗車整車多體動力學模型

3.1.2 虛擬臺架模型

虛擬臺架分析的目的是實現在虛擬試驗環境下，借助交互式技術和試驗分析技術，在汽車設計階段即可對產品的性能進行評價或者試驗驗證。

依據臺架三維數據建立了前懸架、后懸架總成和整車系統的虛擬臺架模型，如圖3、圖4所示。

圖3　后懸架總成虛擬臺架模型

圖4　整車系統虛擬臺架模型

3.1.3 數字化路面模型

數字化路面的輪廓以實際采集典型耐久路路面高程信號［6，7］（即路面不平度）的預處理數據和誤用試驗路面測試數據為輸入，在ADAMS/CAR中建立的數字化路面模型如圖5所示。

圖5　數字化試驗路面模型

3.2 虛擬試驗分析與載荷提取

根據建立的整車多體動力學模型、虛擬臺架模型和數字化試驗路面模型等，進行懸架總成單軸與多軸加載、整車系統多軸加載臺架試驗等虛擬臺架分析和整車耐久性試驗、誤用試驗的虛擬試驗場分析，完成后提取每個鉸接點的載荷，得到用于后續試驗驗證的載荷譜數據。

4 對比驗證

對虛擬試驗分析模型進行了全面的對比驗證，以兩個方面的驗證為例進行說明。

4.1 系統級虛擬臺架試驗模型的靜態與動態驗證

圖6為后懸架總成縱向靜態加載臺架試驗的作動器加載力，將其直接加載到模型上進行虛擬試驗分析，圖7為作動器的位移和2#上控制臂的應變時間歷程信號的臺架試驗和虛擬臺架試驗結果對比。由圖7可知，載荷對比結果中各級載荷幅值一致性較好，說明虛擬試驗模型剛度特性與實際的后懸架總成試驗一致。

圖6　臺架試驗的作動器加載力

圖7　臺架試驗和虛擬臺架試驗的時間歷程信號

對測試六分力數據進行編輯得到多軸臺架試驗驅動譜［8］，以該驅動譜為輸入，進行后懸架總成虛擬臺架試驗分析，圖8、圖9分別為前下控制臂連桿軸向載荷的時間歷程信號和穿級計數對比試驗結果，圖10為3個連桿軸向載荷的相對損傷對比。由圖8～圖10可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗結果中時域、穿級計數和相對損傷一致性較好，說明虛擬試驗模型阻尼特性與實際后懸架總成試驗一致。

圖8　臺架試驗和虛擬臺架試驗中前下控制臂連桿軸向載荷的時間歷程信號

圖9　臺架試驗和虛擬臺架試驗中前下控制臂連桿軸向載荷的穿級計數

圖10　臺架試驗和虛擬臺架試驗中連桿軸向載荷的相對損傷

驗證結果表明：在以實車測試參數建立的懸架系統虛擬臺架模型基礎上進行的虛擬試驗載荷分析可有效再現實際臺架的載荷傳遞特性。

4.2 整車級虛擬試驗模型的動態驗證

整車級虛擬試驗主要分析工況有耐久性臺架試驗、典型路路面試驗和誤用試驗3種，以整車耐久性驗證的車輪垂向動載荷和橫向溝槽誤用試驗的車輪相對G載荷為例，驗證該整車虛擬試驗分析模型的精度。

以典型路面整車試驗的車輪六分力為計算目標，通過虛擬試驗的虛擬迭代［9］技術進行除輪胎外的整車虛擬試驗模型分析精度驗證，再通過整車道路虛擬試驗分析進行整車虛擬試驗模型（含輪胎模型）分析精度驗證。

4.2.1 整車級臺架試驗驗證

圖11為左前車輪垂向力時間歷程信號的臺架試驗和虛擬臺架試驗結果對比，圖12為左前車輪垂向力的穿級計數、功率譜密度的對比結果，圖13為車輪垂向力數據結果的相對損傷值比較。由圖11～圖13可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗結果中時域、頻域和相對損傷一致性較好，說明整車系統虛擬臺架可以較好地再現實際臺架試驗工況。

圖11　左前車輪垂向力的時間歷程

圖12　臺架試驗與虛擬臺架試驗中左前車輪垂向穿級計數和功率譜密度曲線

圖13　臺架試驗與虛擬臺架試驗結果的相對損傷值比較

4.2.2 整車級道路試驗驗證

表2為耐久性道路試驗的車輪垂向力與虛擬試驗結果的標準差對比，圖14為左前車輪垂向力的時間歷程信號的道路試驗和虛擬道路試驗結果對比，圖15為左前車輪垂向力的穿級計數、功率譜密度的道路試驗和虛擬道路試驗結果對比，圖16為道路試驗與虛擬道路試驗的車輪垂向力數據結果的相對損傷值比較。由表2和圖14～圖16可知，虛擬道路試驗與道路試驗結果標準差值、穿級計數和相對損傷一致性較好，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與路面采集的路線軌跡不同以及整車虛擬試驗模型存在大量剛體簡化。

表2　道路試驗與虛擬道路試驗車輪垂向力的標準差N

圖14　左前車輪垂向力的時間歷程信號

圖15　道路與虛擬道路試驗中左前車輪垂向力

圖16　道路試驗與虛擬道路試驗中車輪垂向力的相對損傷值

以誤用工況試驗規范規定的車速為虛擬驗證的控制目標，進行虛擬試驗分析，實際試驗時車速因受到沖擊而發生變化，可能會對計算結果產生一定影響，圖17為誤用試驗和虛擬試驗的相對G載荷［5］比值。由圖17可知，橫向溝槽虛擬試驗結果與實際試驗結果吻合良好，前輪相對G載荷的垂向和縱向相對誤差分別為3%和8%，后輪相對G載荷垂向相對誤差為21%。

圖17　誤用試驗和虛擬試驗的相對G載荷比值

結果表明，經過上述驗證的整車虛擬試驗模型的精度較好，但仍需不斷積累和完善虛擬試驗方法才能得到較為可靠的整車級試驗載荷。

5 結束語

對系統級的靜態和動態、整車級的動態和整車道路試驗等的虛擬試驗分析模型進行了驗證。結果表明，虛擬試驗分析載荷結果可以較好地再現臺架試驗和整車道路試驗等試驗工況，說明該虛擬試驗分析模型可為整車和系統級的疲勞壽命分析和結構優化提供有效的載荷邊界條件。

1李飛，郭孔輝，丁海濤，等.汽車耐久性分析底盤載荷預測方法研究綜述.科學技術與工程，2010，10（24）：5960～5964.

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（責任編輯斛畔）

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