某型工程車路面載荷譜虛擬仿真方法研究

朱訓德，陳軍，李小軍

(福田汽車時代事業部，湖南長沙 410129)

某型工程車路面載荷譜虛擬仿真方法研究

朱訓德，陳軍，李小軍

(福田汽車時代事業部，湖南長沙 410129)

建立了某型工程車的整車多體動力學模型。根據路面譜的表達公式，獲得了路面譜的時域歷程曲線；將時間歷程曲線輸入整車多體模型中進行計算仿真，成功地獲取了工程車路面載荷譜數據。此載荷譜真實可靠，表明此種路面載荷譜的虛擬仿真分析方法可行。

工程車；路面譜；虛擬仿真；載荷譜

0 引言

路面載荷譜是設計工程車時一項非常關鍵的數據，是車輛疲勞壽命計算、車輛NVH性能計算最為關鍵和核心的數據。但是目前工程車路面載荷譜大多是通過實驗的手段獲得，不但耗時耗人力，而且費用非常高，周期非常長。作者采用完全的計算機虛擬仿真手段，建立整車多體仿真模型，通過仿真獲取它在各級路面上各個行駛速度時的路面載荷譜數據，不但大大節約成本，降低費用，而且可以根據需要為工程車的正向設計和后續的疲勞計算、NVH計算提供可靠的數據支持，并且使得汽車的開發周期大大縮短，可靠性大大提升。

1 整車多體動力學模型的建立

根據工程車模型的特點，建立的整車多體模型只需包含柔性體車架、貨物、輪胎、板簧以及激振試驗臺便可計算出載荷譜數據，其他車輛部件全部去除，不影響路面載荷譜的計算和提取。

1.1 柔性體車架的建立

運用有限元分析軟件對車架及副車架的實體模型進行有限元離散，在建模過程中用10 mm的cquad4單元對鈑金件進行網格劃分，用10 mm的ctria3對鑄件進行劃分，鉚接及螺栓連接用rbe2+beam的形式來模擬。在貨物及發動機駕駛室重心處、板簧連接處建立外聯點，建立的有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 車架及副車架的有限元模型

圖2 車架及副車架的柔性體模型

1.2 板簧模型的建立

圖3 板簧模型圖

鋼板彈簧是載貨汽車主要的彈性元件，對緩和路面沖擊、提高整車舒適性有重要的作用。文中鋼板彈簧的建模方式是采用離散beam梁法，對鋼板彈簧進行離散化，每一小塊視為一個剛體，塊與塊之間用beam梁連接，梁單元的截面參數根據實際板簧的尺寸計算得出，據此建立的鋼板彈簧模型如圖3所示。

1.3 車輛其他部件的建立

車輛輪胎采用 fiala輪胎模型，尺寸和物理參數按實際數值給定；車橋用直桿簡化，將實際質量賦給簡化零件；貨物及駕駛室等按質量點加載在其重心位置。各個部件之間根據實際連接形式進行建模，建立的多體動力學整車模型如圖4所示。

圖4 多體動力學整車模型

2 路面譜的建立

路面位移功率譜密度函數Gq(n)可以表示為：

式中：n為空間頻率，表示每米長度包含n個波長；nu和nl分別表示路面譜的空間頻率上、下限；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數，單位為m3；W為頻率指數，它決定路面功率譜密度的頻率結構。

當車輛以一定的車速u駛過空間頻率為n的路面時，輸入的時間頻率f是n與u的乘積，即：f=u·n，由此可以得到時間頻率功率譜密度Gq(f)與空間頻率功率譜密度Gq(n)的關系為：

由上述公式得到的車輛在各個速度下的路面時間頻率功率譜密度曲線及路面隨時間的變化曲線分別如圖5—10所示。

圖5 車速36 km/h，B級路面，時間頻率功率譜密度曲線

圖6 車速36 km/h，B級路面，時域曲線

圖7 車速45 km/h，B級路面，時間頻率功率譜密度曲線

圖8 車速45 km/h，B路面，時域曲線

圖9 車速65 km/h，B級路面，時間頻率功率譜密度曲線

圖10 車速65 km/h，B級路面，時域曲線

3 載荷譜的虛擬仿真計算

文中以B級路面為例，在整車多體動力學模型的激振試驗臺中輸入路面時域曲線，進行多體動力學仿真。仿真得出該車的駕駛室質心和貨物及貨箱質心位置在36、45、65 km/h下的載荷譜，如圖11—16所示。

圖11 車速36 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖12 車速36 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

圖13 車速45 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖14 車速45 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

圖15 車速65 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖16 車速65 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

4 結論

根據工程車的結構特點，建立了工程車整車多體模型。根據路面譜的表示公式，通過數值模擬方法建立了工程車在B級路面以時速36、45和65 km/h行駛時的功率譜密度函數和時間歷程曲線。將此歷程曲線輸入建立的整車多體模型中，仿真獲取了車身、貨物及貨箱在各級路面以36、45和65 km/h行駛的載荷譜曲線。此載荷譜曲線與實驗數據高度吻合，完全可

以應用于工程車后續的疲勞計算和NVH計算中。這種方法是一種可靠和有效的某型工程車在各級道路和各級速度行駛的路面載荷譜的虛擬仿真分析方法。

【1】吳濤,段寧.探索路面不平度測量技術的應用[J].城市建設理論研究,2013(17)：21.

Research on Virtual Simulation Method of Road Load Spectrum for a Certain Type of Engineering Vehicle

ZHU Xunde, CHEN Jun, LI Xiaojun

(Foton FORLAND Division, Changsha Hunan 410129,China)

The multi-body dynamics model of a certain type of truck was established. According to the expression formula of road surface spectrum, the time history curves of the road surface were obtained. The time history curves were input into the vehicle multi-body model and the simulation was carried out. The road load spectrum data of the truck were obtained successfully. The load spectrums are real and reliable. It shows that the method of virtual simulation analysis of the road load spectrum is feasible.

Truck; Road spectrum; Virtual simulation; Load spectrum

2016-12-06

朱訓德,男，大學本科，研究方向為整車設計、制動離合系統設計、變速傳動系統設計及海外法規認證。E-mail:zxd1024@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.005

U495

A

1674-1986(2017)03-018-04