基于MotionView整車虛擬試驗場仿真的后轉向節強度分析

徐新新　宋峰　王瑞鋒

摘要：

由于車輛行駛狀況復雜多樣，傳統靜態工況無法復現各類惡劣路況下后底盤轉向節真實應力，因此在利用MotionView建立整車剛柔耦合多體動力學模型的基礎上，將后轉向節利用柔性體進行模擬；在進行虛擬試驗場仿真分析的同時采用模態綜合法計算結構動應力，得到后轉向節最高應力位置及發生時刻.仿真結果與整車道路試驗結果的對比表明仿真方法準確.

關鍵詞：

汽車； 轉向節； 動應力； 模態綜合法； 剛柔耦合； 慣性釋放； 應變片； 虛擬試驗場

中圖分類號： U462.2

文獻標志碼： B

Abstract：

Due to the complex vehicle driving conditions， the actual stress of chassis steering knuckle under various bad road conditions can not be forecasted correctly by the traditional static load conditions. A rigidflexible coupling multibody dynamics model is built by MotionView， in which the rear steering knuckles are simulated as flexible bodies. The virtual proving ground simulation analysis is done while the dynamic stresses are calculated by modal synthesis method， and the location and occurring time of maximum stresses of rear steering knuckles are identified. The comparison between simulation results and the results obtained by road test for whole car shows the correctness of the simulation method.

Key words：

automobile； steering knuckle； dynamic stress； modal synthesis method； rigidflexible coupling； inertia relief； stain gauge； virtual proving ground

0引言

轉向節是底盤的重要構件，連接著車輪以及懸架總成，其不僅承受地面對車輪的垂向沖擊，而且承受車輛轉彎或制動時產生的橫向和縱向力以及力矩，因此轉向節的強度性能直接影響汽車行駛的安全性和可靠性.傳統的轉向節強度分析方法主要通過靜態工況進行仿真分析，但靜態工況加載比較單一，難以復現汽車在壞路上行駛時轉向節的真實受力情況.本文利用MotionView多體動力學軟件建立整車剛柔耦合模型，通過整車虛擬路面仿真提取仿真過程中轉向節最大應力，評判轉向節強度性能，最后通過與轉向節貼片試驗進行應力對比驗證仿真方法的準確性.

1模型定義

1.1轉向節柔性體生成

使用MotionView軟件中的FlexTools模塊，根據轉向節bdf格式有限元模型，選用CraigBampton模態綜合法，并設置輸出轉向節應力應變信息，生成h3d格式的轉向節柔性體文件，生成界面及柔性體模型見圖1.

1.2整車模型搭建

在MotionView軟件中建立整車模型[1]，包括前、后懸架系統，轉向系統，傳動系統，車身，動力總成和輪胎.在建模過程中保證襯套、減振器、彈簧以及限位塊等彈性元件的參數設置與實測值相同，硬點坐標及各底盤部件質量慣量可直接在數值模型中進行量取，搭建完成的整車質量質心參數與實車保持一致，根據輪胎的力學特性數據擬合輪胎模型，并制作輪胎屬性文件[24]，最后將整車模型中轉向節的剛體模型替換為柔性體.建立的整車剛柔耦合模型見圖2.

1.3路面模型搭建

使用等效容積法[5]在有限元軟件中對比利時路、魚鱗坑路、圓餅路和點坑路進行建模，并轉換為

rdf格式虛擬試驗場路面文件，建立的路面模型見圖3.

2.2仿真結果

通過整車虛擬路面仿真可輸出轉向節各時刻最大應力隨時間變化曲線及最大應力時刻轉向節應力云圖，見表2.

由表2仿真結果可知：在點坑路工況下，轉向節出現最大應力203 MPa，小于轉向節材料的屈服極限，滿足強度設計要求.

3動應力分析方法精度驗證

4試驗驗證

在轉向節表面粘貼應變片.由于各路段轉向節最大應力位置處不易貼片，故選用較平整位置進行貼片，在后懸轉向節貼4個應變片，編號為1～4號.采集轉向節貼片處應變[9]曲線，通過計算獲取轉向節各路段貼片處最大應力，并與整車虛擬路面仿真獲取的各路段貼片位置處應力最大值進行對比，結果見表4.1號應變片與3號應變片試驗應力結果小于30 MPa，所以不列入對比結果表；此外，點坑路工況試驗危險度較高，出于車輛及人員安全考慮，未進行該路況試驗.

由表4可知：3種路況下仿真與試驗結果應力幅值最多相差6 MPa，且差異均在14%以內，可驗證模型搭建以及仿真方法的準確性.考慮到仿真與試驗的差異，將虛擬試驗場動應力分析所得最大應力203 MPa上浮14%后為231 MPa，仍小于轉向節材料屈服極限，故認為結構設計滿足惡劣路況行駛強度要求.

5結論

（1）利用整車剛柔耦合模型，仿真計算車輛在壞路上行駛時轉向節的應力，結果顯示各工況下轉向節應力幅值均小于其屈服強度，轉向節不存在強度破壞風險，仿真分析結果為轉向節設計提供支持.

（2）提取最大應力時刻轉向節各安裝點載荷，在有限元模型中進行慣性釋放分析，各工況應力計算結果與整車仿真柔性體直接提取應力結果一致，驗證模態綜合法動應力分析的準確性.

（3）通過貼應變片進行實車道路試驗，仿真與試驗結果差異在14%以內，驗證模型搭建以及仿真方法的準確性，雖未采集點坑路工況下轉向節應力，但基于其他工況仿真精度來看，點坑路況時結構可滿足強度設計要求，其結果可作為考察轉向節應力性能依據.

（4）轉向節失效形式不僅包括強度破壞，還有可能疲勞失效，除動應力分析外，整車虛擬試驗場仿真方法還可提取結構各安裝點動態載荷作為疲勞計算[10]輸入，從而達到零部件性能提前驗證、縮短整車開發周期的目的.

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（編輯武曉英）