基于整車動力學模型的虛擬迭代技術分析*

李鵬宇，尹輝俊，官勇健，柳澤田

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基于整車動力學模型的虛擬迭代技術分析*

李鵬宇，尹輝俊*，官勇健，柳澤田

（廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西 柳州 545006）

以Adams/Car建立的整車多體動力學模型為載體，并以在試驗場測試得到的輪心加速度、懸架彈簧位移和輪心力作為整車虛擬迭代的實測信號。在FEMFAT.Lab軟件中建立實測信號和輪心位移響應信號間的傳遞函數。通過傳遞函數反求出輪心位移，并作為輸入載荷，仿真分解得到車身與底盤連接點動態載荷，作為后期虛擬疲勞試驗的必要條件。

多體動力學；虛擬迭代；傳遞函數；載荷譜

引言

疲勞耐久性分析是汽車安全的重要組成部分，越來越受到車企的重視。傳統的汽車疲勞耐久性分析是實車在試驗場上進行的，這種方法雖然準確直接，但用時冗長，耗費過多人力物力，影響研發周期。隨著CAE技術的發展和成熟，通過虛擬仿真技術來研究疲勞耐久性問題得到廣泛應用[1]。而車身疲勞耐久性分析的關鍵在于車身與底盤連接點的真實載荷譜，但這些在道路測試中很難直接測得。

一種方法是建立整車多體動力學模型，在虛擬路面中仿真直接提取出車身連接點的載荷譜[2]，該方法用時短，效率高，但準確的虛擬路面的建立難度大不易獲得。另一種方法通過六分力傳感器測量系統測量車輛行駛過程中輪心軸頭處X、Y、Z三個方向的力和力矩，約束車身，然后加載到多體模型上，從而提取出車身連接點處的受力載荷[3]。該方法忽略了車身慣性的影響，對整車模型的要求高，各種參數不夠準確都會對車身連接點處的載荷有很大的影響。

本研究是通過傳感器和六分力傳感器測量系統獲得實車輪心加速度、懸架彈簧位移和輪心力，在Adams/Car建立整車模型，通過軟件FEMFAT.Lab采用虛擬迭代法仿真得到輪心垂向位移，并以此作為整車驅動載荷，獲得車身連接點處載荷。

1 試驗場載荷譜采集及處理

1.1 載荷譜采集

為了確定車身的疲勞耐久性符合企業要求，在試驗初期需對試驗車進行道路載荷譜提取。在確保試驗車狀態滿足GB/T12534—1990《汽車道路試驗方法通則》規定的情況下，在輪心處安裝加速度傳感器，懸架彈簧處安裝位移傳感器，并將六分力傳感器測量系統安裝在輪轂適配器和輪輞適配器之間。讓試驗車在試驗場各種路面上進行測試時間長度120s并提取載荷譜，分別測得輪心加速度，懸架彈簧相對位移，以及輪心軸頭X、Y、Z三個方向的力和力矩。本文僅抽取比利時路面作為研究，如圖1為比利時路面下四輪心Z向加速度載荷譜。

1.2 載荷譜處理

試驗場采集到的信號包括車輛振動本身的有效信號和無效高頻噪聲信號，對采集到的數據進行重新采樣和濾波處理是必要的。根據虛擬迭代軟件采樣頻率要求，將原始信號按256HZ重新采樣，對40HZ以上的高頻信號用低通濾波器濾掉，將處理好的采集信號作為后續虛擬迭代的目標信號[4]。

2 整車多體動力學模型建模

車輛多體動力學模型由前懸架系統、后懸架系統、轉向系統、前穩定桿系統、后穩定桿系統、動力系統、車身系統、輪胎系統[5]八大系統組成。建模過程在Adams/car進行，Ada -ms/car是一種專業建模仿真軟件并且可以簡化建模步驟。整車建模過程中必須保證整車質量和參數與試驗車在試驗場采集載荷譜時相同。為了簡化模型，將動力系統、以及對應的人員配重集中于一個質量點上，而懸架的彈簧剛度、減震器的阻力系數、襯套剛度、硬點坐標以及零部件質量等都由相關企業提供。由于測得數據都為輪心數據，并且輪胎系統比較復雜，輪心垂向位移作為驅動載荷，所以不需要建立輪胎系統，整車底盤模型如圖2所示。

圖2 整車底盤模型

為了提高仿真精度，將車身通過有限元軟件離散成柔性體，調整車身與底盤連接點處硬點參數，建立匹配的通訊器，以及request命令，最終獲得整車多體動力學模型如圖3所示。將調試好的整車模型導出為文本格式即.adm文件，用于之后作為虛擬迭代的載體。

圖3 整車多體動力學模型

3 虛擬迭代分析及載荷譜提取

3.1 虛擬迭代方法

虛擬迭代在軟件Femfat.lab中進行，它是一款對大量數據形象化分析處理的軟件Femfat-Lab中有一個虛擬迭代模塊可以根據外部測量數據和多體仿真模型 (Simpack and MSC Adams)，通過虛擬迭代的方法，最終計算零件內部載荷[6]。

虛擬迭代模塊主要由6個部分組成：1 初始化設置調用adm文件，2輸入輸出通道信號的設置，3白噪聲產生，4生成傳遞函數，5導入其余的輸入通道，6虛擬迭代仿真。

3.2 虛擬迭代原理

通過試驗我們很容易獲得整車的內力載荷，如輪心加速度、懸架彈簧位移。但是外力載荷卻很難測得，如輪心位移。為了準確方便的獲得整車模型的外力載荷，引入虛擬迭代技術。而虛擬迭代原理是將整個多體動力學模型看作一個系統，然后用一個假定的白噪聲作為激勵輸入u(s)，根據系統的結構和拓撲關系計算得到一個響應輸出y(s)，即可求出整個系統的傳遞函數F(s)。傳遞函數表達式：

F(s)= y(s)/u(s) （1）

可以將F(s)看成線性關系，并將傳遞函數的逆函數F-1(s)由輸出反求輸入。在整車多體模型中，以輪心垂向位移為輸入，輸出項設為輪心Z向加速度，懸架彈簧的垂向位移，輸入為四個垂向通道，系統中傳遞函數也可以用矩陣表示[7]：

式中：主對角線上的元素H11~H44為車輛左前、右前、左后以及右后輸入信號與輸出信號對應的傳遞函數關系；Hij為第j個輪心垂向輸入信號與第i個輪心響應之間的傳遞函數，i，j = 1，2，3，4。

由試驗采集到的路譜ym和逆函數F-1(s)可求得一組初始輸入載荷：

將該輸入信號u0作為驅動載荷，作用于多體動力學模型中，計算得到所有輸出通道的響應y0。將y0與ym作比較，如果滿足條件，則u0作為最終驅動信號，用于載荷分解求得對應連接點處的載荷譜，如果不滿足條件，則可以用修正的牛頓—拉斐遜算法，固定F-1(s)進行下一次迭代：

將u1施加給多體模型中，得到對應y1與ym比較，滿足條件則u1作為最后的驅動信號，若不滿足，繼續迭代，直到yn與ym相符，迭代停止，n次迭代后：

虛擬迭代流程如圖4所示。

3.3 迭代判定及載荷提取

通過前面提到的理論分析以及實際測量相結合的方法建立了系統模型。以經過處理的實測信號如懸架彈簧的垂向相對位移作為目標信號，運用虛擬迭代方法，將輪心垂向位移作為輸入信號在Femfat.Lab中進行迭代，直到迭代信號與目標信號誤差滿足要求，則停止迭代過程.而迭代信號與目標信號的比較主要包括時域和相對損傷值。時域主要對比每次迭代完成后迭代信號與目標信號的變化趨勢，以及峰值是否相對吻合，若不吻合，說明迭代不理想繼續迭代。若相對吻合，則比較相對損傷值，如果相對損傷值為 1，說明2種載荷對疲勞的影響是相同的[8]，迭代結果如圖5所示，可以看出經過10次迭代損傷比在1附近趨于穩定，結束迭代。

圖5 相對損傷圖

圖6 輪心加速度目標信號與迭代信號對比

抽取輪心Z方向加速度目標信號和迭代信號的時域對比如圖6，可以看出幅值相對吻合較好，曲線趨勢大致相同。時域圖滿足要求之后，對比各通道相對損傷值圖，如圖7所示。可以看到各輸出通道，懸架彈簧相對位移4通道（左前1、右前2、左后3、右后4），輪心Z向加速度4通道（左前5、右前6、左后7、右后8）、輪心Z向力（左前9、右前10、左后11、右后12）、前穩定桿扭矩1通道13，可以看出相對損傷值在損傷值1上下徘徊，由于整車多體動力學建模的準確性以及采集載荷譜的誤差影響，所以相對損傷值在可接受范圍內，綜合分析迭代值精度可以接受。

圖7 各通道損傷值

3.4 載荷提取

虛擬迭代結束后，獲得輪心垂向位移，作為整車多體動力學模型的驅動載荷. 將驅動載荷加載到整車多體動力學模型中，載荷分解即可得到車身與底盤連接點的載荷譜。利用 Femfat.Lab或者Adam/car均可提取出每個連接點的受力譜,作為疲勞分析的輸入。此處列舉整車前副車架左側與車身連接點處X、Y、Z受力載荷，如圖8所示。

4 結論

文中探索了虛擬迭代技術提取車身與底盤連接點處載荷譜的方法，試驗場載荷譜采集，創建整車多體動力學模型，通過對比迭代信號與目標信號的時域和相對損傷值，判斷虛擬迭代的準確性。不需要固定車身仿真，減少了車身自身慣性對仿真的影響，從而提高了仿真精度，提取了車身對應連接點的載荷，該方法與有限元分析及疲勞分析結合形成一套完整的車身疲勞分析方案，整車開發中具有一定的指導意義。

[1] 趙婷婷,李長波,王軍杰,等.基于有限元法的某微型貨車車身疲勞壽命分析[J].汽車工程,2011,33(5):428-432.

[2] 曹萍,王衛英.微型客車車身疲勞壽命有限元分析[J].機械科學與術,2012,31(4):538-542.

[3] 宋亞偉,黃元毅.基于多體動力學模型的汽車底盤動態載荷分析[J].汽車技術,2017(3):12-18.

[4] 楊祥利,沈磊.虛擬迭代方法及其在駕駛室載荷分解中的應用[J].輕型汽車技術,2015,14(4):14-18.

[5] 毛顯源.某SUV車多體建模與副車架強度分析[D].上海:上海師范大學, 2013.

[6] 張少輝.基于虛擬迭代的某商用車駕駛室疲勞壽命分析研究[D].安徽:合肥師范大學,2017.

[7] 汪隨風,武振江,楊建森.基于整車動力學模型虛擬迭代仿真的轉向節載荷譜提取[J].重慶理工大學學報,2015,29(11):37-41.

[8] 邵建,董益亮,肖攀.基于多體模型仿真的載荷譜虛擬迭代技術分析[J].重慶理工大學學報.2010,24(12):84-87.

Virtual iteration technology analysis based on vehicle dynamics model*

Li Pengyu, Yin Huijun*, Guan Yongjian, Liu Zetian

( Department of mechanical and traffic engineering, Guangxi University of Science and Technology,Guangxi Liuzhou 545006）

The vehicle multi-body dynamics model established by Adams/Car, which is used as the carrier, and the wheel center acceleration, suspension spring displacement and wheel center force obtained in the test field are taken as the measured signals of the virtual iteration of the whole vehicle. In FEMFAT. Lab software, The transfer function between the measured signal and the wheel center displacement response signal is established. The wheel center displacement is obtained by the transfer function, and as the input load, the dynamic load of the connection point between the body and the chassis is obtained by simulation decomposition, which is a necessary condition for the later virtual fatigue test.

multi-body dynamics; virtual iteration;transfer function; dynamic load

U467

B

1671-7988(2019)08-70-04

U467

B

1671-7988(2019)08-70-04

李鵬宇（1993-）男，碩士研究生，研究方向：CAD/CAE/ CAM。

尹輝俊（1972-）男，教授，碩士，研究方向：車輛關鍵零部件設計與制造。

廣西高等學校優秀人才資助計劃項目（桂教人〔2011〕40號）；廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019319）；廣西科技計劃項目（桂科攻1348005-12）；廣西重點實驗室建設資助項目（桂財教〔2013〕51號 13-A-01-06）；廣西研究生教育創新計劃資助項目（YCSW2017202）；廣西科技大學碩士研究生創新項目（GKYC201703）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.022