基于臺架模擬和CAE分析的重卡駕駛室可靠性優(yōu)化及驗證

李棟 石國強 呂敬偉 周強

一汽解放青島汽車有限公司 山東青島 266043

對于商用車駕駛室總體性能的考核有很多方面，其中包括碰撞安全強度、扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度、可靠性等。很多方面都有相應(yīng)的標準試驗方法來驗證，但可靠性是由各個企業(yè)自行規(guī)定且方法不盡相同，并且直接關(guān)系著乘員乘坐舒適性和安全性，是車輛的關(guān)鍵指標之一[1]。

目前駕駛室可靠性考核主要有試驗場試驗和CAE分析兩種。大多數(shù)廠家以試驗場試驗為主，試車場試驗是符合汽車行駛狀況的試驗方法，存在時間周期長、易受外界因素影響等局限性，而CAE分析又缺乏驗證，駕駛室臺架模擬可靠性試驗可以彌補上述不足。本文針對試驗場可靠性試驗中發(fā)現(xiàn)的駕駛室開裂故障，結(jié)合臺架試驗和CAE分析制定優(yōu)化方案，最終通過驗證。通過這些試驗方法達到了考核產(chǎn)品可靠性能的目的，能夠盡可能早的發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計問題，最大限度地降低工程風險，縮短開發(fā)周期，提高汽車開發(fā)質(zhì)量[2]。

1 試驗場可靠性試驗問題及原因分析

1.1 試驗問題

駕駛室在試驗場強化路面可靠性試驗中出現(xiàn)裂紋，開裂位置集中在前圍內(nèi)板橫梁（圖1）及地板梁處（圖2）。

圖1 前圍內(nèi)板橫梁接線盒處、空調(diào)管口處、工藝孔處

圖2 地板前縱梁、縱梁加強板R角

1.2 原因分析及改進方案

根據(jù)駕駛室裂紋情況進行分析，開裂問題可能是由于在結(jié)構(gòu)上抗扭轉(zhuǎn)能力不足和駕駛室鈑金材料強度不足引起的。解決開裂問題是車身可靠性設(shè)計中的難點之一，提升車身的疲勞性能通常的方法為增加加強板[3]。

首先對駕駛室的鈑金材料進行加強，其措施包括在前縱梁與前圍內(nèi)板橫梁處采用滿焊，鈑金采用增加強度板料，地板梁加強板采用高強度鋼板，然后在結(jié)構(gòu)上提出了五種增強方案（圖3）：

圖3 加強方案

a.地板梁與前橫梁連接處補焊加強筋；b.地板前橫梁處增加加強板；c.加反扣的前橫梁；d.螺栓加管梁；e.增加鉸接軸。

2 改進方案的CAE驗證

對駕駛室建立有限元模型進行CAE分析（圖4），構(gòu)建白車身帶懸置支架并通過集中質(zhì)量單元將車門、座椅、儀表、臥鋪、玻璃等附件及乘員的重量連接到白車身上構(gòu)建整備車身模型。重點確認故障位置的應(yīng)力集中情況及改進情況。

圖4 駕駛室模型

分兩種工況對駕駛室加載載荷：a.垂向顛簸工況，約束懸置XYZ三向平動自由度，Z向施加3G載荷，b.扭轉(zhuǎn)工況：約束后懸置和右前懸置XYZ三向平動自由度，左前懸置點施加Z向5 000 N集中載荷前圍內(nèi)板的CAE分析對比結(jié)果見圖5。

圖5 五種駕駛室加強方案CAE分析對比

根據(jù)CAE分析，現(xiàn)駕駛室結(jié)構(gòu)狀態(tài)在失效點附近應(yīng)力值較大，加鉸接軸方案對駕駛室原失效點附近應(yīng)力改善效果最佳，應(yīng)力降低幅度最明顯。然后用在試驗場強化壞路隨車采集的駕駛室四個懸置點附近的振動路譜信號進行臺架可靠性試驗，來檢驗增加鉸接軸和改進材料對駕駛室可靠性的改善程度。

3 改進方案的臺架試驗驗證

3.1 傳遞函數(shù)的標定

試驗用駕駛室按照在整車上的安裝方式安裝在六自由度試驗平臺上，并用75 kg假人作為駕駛員配重。將加速度傳感器按采集振動載荷譜時的位置安裝在待測駕駛室上（圖6）。

圖6 駕駛室安裝及部分測點位置

臺架發(fā)出的六個自由度的平動、轉(zhuǎn)動白粉紅噪為激勵信號，帶寬根據(jù)試驗場采集信號的能量分布取50 Hz以內(nèi)，平動信號振幅 3 mm，轉(zhuǎn)動信號振幅0.5°。對駕駛室、臺架構(gòu)成的系統(tǒng)進行傳遞函數(shù)的標定，以駕駛室懸置附近四個目標點共12方向的信號為響應(yīng)點測定傳遞函數(shù)。

頻率處理及功率譜計算后得到6×12個傳遞函數(shù)，其中左前、右前測點Z方向與Z向平動和轉(zhuǎn)動驅(qū)動信號間的函數(shù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 經(jīng)功率譜計算后的傳遞函數(shù)

3.2 目標信號的迭代和模擬試驗信號的生成

首選對試驗場測試信號進行處理，刪除凸塊路、石塊路等特征路面的連接路面信號，然后按信號的能量分布取50 Hz以內(nèi)進行低通濾波，將試驗系統(tǒng)簡化為一個多輸入、多輸出系統(tǒng)，H(ω)為其頻響函數(shù)矩陣，試驗系統(tǒng)的輸入（臺架驅(qū)動）、輸出（臺架駕駛室信號）信號向量在頻域為X(ω)、Y(ω)。系統(tǒng)的輸入、輸出信號與頻響函數(shù)的關(guān)系式為：

目標信號（試驗場采集信號）為yd(t)，目標信號的傅立葉變換為：

設(shè)頻域初始驅(qū)動信號為X0(ω)，則有：

一般響應(yīng)信號的個數(shù)比激振信號的個數(shù)要多，則H(ω)不是方陣，因此不能利用直接求逆的方式計算，可以用最小二乘的方法求得初始驅(qū)動信號：

對頻域值 X0(ω)進行傅立葉逆變換就可以得到初始驅(qū)動信號的時域值：

下一步用X0(t)去激勵系統(tǒng)，同時采集系統(tǒng)的第1次響應(yīng)信號y1(t)開始迭代。設(shè)第i次迭代采集到系統(tǒng)的響應(yīng)信號為yi(t)（下標i表示第i次迭代）。計算測得響應(yīng)信號與目標期望信號的時域誤差為：

按照迭代誤差的定義計算每個響應(yīng)點的誤差,判斷是否滿足收斂要求。若所有響應(yīng)點都滿足收斂要求,則將此次臺架的驅(qū)動信號作為最終驅(qū)動信號，接著進行下一段目標期望信號的迭代；否則要對∈(t)進行傅立葉變換，得到頻域響應(yīng)誤差：

因響應(yīng)信號的個數(shù)比激振信號的個數(shù)要多，則頻域的驅(qū)動信號修正信號為：

將ΔXi(ω)進行傅立葉逆變換就得到了時域的驅(qū)動信號修正信號：

把ΔXi(ω)加到上一次迭代的驅(qū)動信號ΔXi-1(t)上去，得到本次修正后的驅(qū)動信號。為防過載，一般對修正信號ΔXi(t)進行適當衰減，再用新得到的信號去激勵系統(tǒng)，這樣反復(fù)迭代，直到收斂為止[4]。

如何定義迭代是否收斂即迭代誤差也是該試驗方法的一個重要問題。由上述信號迭代可以得到直接誤差，即目標信號與響應(yīng)信號的差值，但得到的是多條曲線，無法作為收斂準則使用。這里采用均方根值定義。將差值曲線與目標信號的均方根值比作為迭代誤差，以其接近于零的程度來判斷是否收斂，反映了響應(yīng)與目標信號在整個時間歷程上偏差值的大小。

迭代完成后部分測點的目標信號與臺架采集到的時、頻域響應(yīng)信號對比，如圖8、圖9所示。可見兩段信號基本吻合（左前、右前懸置附近測點Z向信號為例，紅色為目標信號，藍色為臺架響應(yīng)信號。

圖8 時域信號對比

圖9 頻域信號對比

采集到此時響應(yīng)信號的臺架驅(qū)動位移和角度信號就可作為此段路面臺架可靠性試驗的實時的驅(qū)動信號。最終得到各測點的響應(yīng)與試驗場采集信號的均方根值誤差控制在10%左右，部分路面的信號（左前、右前測點）誤差值如表1所示。

表1 均方根值誤差

3.3 試驗驗證

將總計14種特征路面的迭代生成的驅(qū)動信號連接起來總計710 s，相當于試驗場強化壞路7 km，驅(qū)動臺架進行模擬強化壞路的可靠性試驗10 000 km，每隔一小時檢查一次臺架與駕駛室的狀態(tài)。試驗完畢在前圍內(nèi)板橫梁處、地板梁前縱梁及翻邊圓角等前期開裂位置處未再出現(xiàn)裂紋，滿足可靠性試驗要求。

4 結(jié)語

臺架道路模擬試驗是一種高效、試驗結(jié)果重復(fù)性好、精度高、切實可行的先進試驗方法。本文結(jié)合CAE分析對車身的應(yīng)力分布情況及駕駛室故障原因進行排查，并提出優(yōu)化方案，利用臺架試驗進行了快速可靠性驗證，兩者互相補充，提高了設(shè)計效率和新產(chǎn)品質(zhì)量。