基于位移反求加載法的高精度皮卡車架疲勞開發與驗證

鄧欲斌，蔣 瑜，于人杰

(1.慶鈴汽車（集團）有限公司，重慶 400052；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122)

皮卡是一種前面像轎車，后面帶貨箱的客貨兩用汽車，其特點是既有轎車的舒適性，又不失強勁動力，而且其載貨和適應不良路面的能力比轎車強。車架是皮卡的重要總成，能夠承受不同工況下各類載荷的沖擊[1]，極易發生疲勞破壞，所以在車型開發早期進行疲勞預測顯得尤為重要。

完善的疲勞性能開發流程是保證開發精度和質量的關鍵。疲勞性能開發中的載荷分解是實現將路面激勵轉化到車架輸入載荷的關鍵步驟，分解方法主要包括4種：自由位移加載法、位移反求加載法、自由載荷加載法和約束載荷加載法。這4種方法的特點各有差異[2]，見表1。

表1 載荷分解方法特點對別

本文選擇精度較高的基于位移反求加載法，結合試驗場采集載荷譜數據與皮卡整車多體動力學模型，以整車內部響應信號（懸架位移信號、整車軸頭Z向加速度信號、轉向拉桿力標定信號）為目標信號，迭代反求整車等效位移激勵信號，進而分解獲取車架邊界載荷譜，最后基于Miner線性累積損傷理論對車架進行疲勞分析及優化，并將優化后的實車進行臺架試驗驗證。

雖然基于位移反求法的虛擬迭代技術在四驅SUV等轎車上有一定應用[3]，但國內對皮卡車架的相關研究較少，由于皮卡的底盤結構形式差異導致傳力路徑不同、車架承載形式及工藝與轎車差別較大，本文將基于皮卡車架進行疲勞性能開發與驗證。

1 位移反求加載法理論

基于位移反求加載法的載荷分解，其本質是求解非線性系統的逆問題。將現有試驗場采集載荷譜數據作為系統目標響應信號，利用高精度多體動力學模型，迭代反求系統外界等效位移激勵，最后用該位移激勵驅動多體模型進行仿真分析，提取車架各關鍵接口點載荷譜信息，其原理如圖1所示。

圖1 虛擬迭代技術

通過生成白噪聲信號unoise及系統白噪聲響應信號ynoise，獲取系統傳遞函數F(s)，如式（1）所示。

由試驗采集載荷譜數據作為目標信號ydesired(s)和系統逆傳遞函數F-1(s)，獲取系統初始激勵信號u1(s)，如式（2）所示。

由于實際樣車系統的傳遞函數F0(s)為非線性，與計算獲得的傳遞函數會有一定誤差，即F0(s)≠F(s)，因此，仿真獲取的第1次響應信號y1(s)并不等于期望信號ydesired(s)，如式（3）所示。

此時需反復進行迭代修正外界等效位移信號，通過對比響應信號與期望信號來不斷修正參數因子a，直到響應信號與期望信號滿足迭代精度要求為止，如式（4）所示。

式中：un+1(s)為第n+1次驅動信號；un(s)為第n次驅動信號；yn(s)為第n次響應信號。

2 位移反求加載法載荷分解

2.1 多體動力學建模及精度檢查

整車模型包括以下子系統：前懸架系統、后橋系統、板簧系統、轉向系統、前穩定桿系統、動力總成系統、車架（駕駛室、貨箱）等。

由于簧下部件加速度較大，在疲勞載荷分解中，其重量、慣量和質心對分解精度影響較大，需按照真實物理參數建模，重要零件使用柔性體模型。皮卡整車多體動力學模型如圖2所示。

圖2 皮卡整車多體動力學模型

通過整車裝配及靜平衡調試，檢查模型的正確性；將迭代所需的通道參數進行歸零設置，對比實測輪荷與仿真輪荷，驗證仿真模型與實車模型的一致性。

2.2 載荷譜采集及精度檢查

載荷譜采集包括某試驗場的耐久道路、評價道和坡道的載荷，包括車輪六分力、加速度、彈簧位移、應變、GPS等共計100個通道的載荷數據。皮卡載荷譜采集試驗車輛狀態如圖3所示。

圖3 皮卡載荷譜采集試驗車輛狀態

載荷譜采集精度檢查包括采集信號的范圍、對應關系的合理性等，如軸頭加速度二次積分得到的位移信號與位移傳感器測試的位移信號應具有一致性，如圖4所示。

圖4 皮卡整車多體動力學模型

2.3 數據處理及等效

依據企業試驗規范進行載荷采集，保證用戶目標里程總損傷與試驗場路面等效里程總損傷的當量一致，通過載荷迭代分解和工況組合，得到與總損傷等效的疲勞分析工況，見表2。

表2 疲勞分析等效工況

2.4 虛擬迭代精度檢查

2.4.1 相對損傷比精度檢查

以輪心Z向加速度、彈簧位移和轉向拉桿力為迭代目標，經過10次迭代后，相對損傷比接近1，滿足0.5～2范圍內的精度要求[4]。

圖5 相對損傷比

2.4.2 時域對比檢查

經過10次迭代，通過局部放大得知仿真迭代數據與實車測試數據基本完全對應，滿足精度要求。

圖6 后輪軸頭Z向加速度實測數據與仿真結果對比

2.4.3 頻域對比檢查

對比仿真迭代數據與實車測試數據在40 Hz內的重合度，圖7為左后輪軸頭Z向加速度對比，圖8為左后彈簧位移對比，仿真與實測結果完全對應，滿足精度要求。

圖7 左后輪軸頭Z向加速度對比

圖8 左后彈簧位移對比

3 疲勞仿真與優化

使用慣性釋放法計算車架各工況下的單位載荷結構應力，結合位移反求加載法獲取的車架輸入載荷譜進行疲勞仿真分析。

3.1 疲勞分析有限元建模

采用笛卡爾坐標系，整車豎直向上（垂直紙面向外）為Z軸正方向，建立車架總成有限元仿真模型如圖9所示，網格平均尺寸為8 mm，整個車架總成模型包含單元約60萬個。

圖9 車架總成三維模型

車架總成所采用的材料牌號及參數見表3。

表3 車架材料牌號及參數

3.2 Miner線性累積損傷理論

車架的疲勞性能根據材料的S-N曲線進行全疲勞壽命分析，以零件的應力結果為基礎，用雨流循環計數法和Miner線性累積損傷理論進行疲勞分析[5]，結構的疲勞損傷為：

式中：ni為應力水平Si循環的次數；Ni為結構在應力水平Si下的疲勞壽命。當累積損傷D達到1時發生失效。

3.3 疲勞分析及優化

根據Miner線性累積損傷理論，對車架的壽命進行仿真預測，包括鈑金和焊縫疲勞[6]，車架疲勞損傷值云圖如圖10所示。

圖10 車架總成疲勞損傷云圖

排除剛性單元引起的不真實損傷結果，不滿足要求的位置有3處，與實際售后出現的問題吻合。車架縱梁搭接焊縫接頭位置的疲勞仿真損傷為3.7，如圖11所示，超出目標值1，不滿足要求，優化方案為延長焊縫40 mm，加強焊接接頭工藝，優化后損傷滿足要求。

圖11 疲勞仿真結果問題再現

3.4 臺架試驗驗證

對優化后的實車進行臺架試驗驗證，臺架試驗載荷輸入與虛擬迭代載荷來源相同，均來自試驗場采集載荷，保證了輸入一致性；經過數據處理等效，臺架試驗需進行360 h，試驗過程中記錄異響、不可預測等情況，并對試驗后的車輛進行靜態、動態檢查、拆解檢查，臺架試驗及車架拆解如圖12所示，拆解結果表明車架各組件未發現明顯變形、開裂等失效工況，滿足疲勞要求。

圖12 臺架試驗及車架拆解

4 結論

本文以皮卡車架為研究對象，進行了全流程疲勞耐久性能開發，選擇基于位移反求加載法進行載荷分解，對整個疲勞性能開發的各個環節進行精度控制，疲勞仿真分析與售后問題印證較好，優化改進后通過了臺架試驗驗證，可以得出以下結論：

（1）基于位移反求加載法的載荷迭代分解方法，以及疲勞性能開發全流程精度控制方法，能夠實現仿真與售后問題的較好印證，保證疲勞性能開發精度和質量需求。

（2）疲勞性能的預測方法在開發早期能夠較準確地預測車架設計薄弱環節，進而通過優化設計改良產品，為皮卡車架的疲勞性能研發提供了理論基礎和技術支持，縮短了產品開發周期。