基于虛擬迭代的下控制臂載荷提取及驗證*

付似愚

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200)

0 引 言

汽車底盤零部件的有限元疲勞耐久分析是初期驗證設計方案可靠性的重要方法。利用CAE技術預測評估零部件疲勞壽命的方法[1-2]，比傳統的道路耐久試驗能夠節省更多的時間與經濟成本，但零部件疲勞耐久性能分析所需要的激勵信號難以通過試驗直接測得，因此正確地提取零部件的載荷對于開展疲勞耐久分析來說起到了關鍵作用。張薊領等[3]采用直接施加車輪軸頭載荷，通過動力學計算的方法得出底盤零部件載荷；沈磊等[4]通過多體動力學模型，單獨對前、后懸架車輪進行六分力加載，進而獲取連接點載荷；鞠道杰等[5]基于系統傳遞函數迭代獲取等效位移激勵的方法，進一步分解獲取各工況的部件邊界載荷譜。

筆者以整車試驗場耐久強化路面實測輪心六分力數據及關鍵位置信號為基礎，結合實測整車參數搭建的剛柔耦合多體動力學模型，運用虛擬迭代的方法，提取試驗場各強化路面工況下的下控制臂連接點時域載荷譜。并以此載荷譜作為激勵，運用慣性釋放的有限元計算方法對下控制臂進行疲勞分析計算。

1 信號采集與處理

以某皮卡車作為試驗車型，前懸架為雙叉臂式獨立懸架，后懸架為縱置鋼板彈簧非獨立懸架。試驗車輛為滿載狀態，與目標車輛狀態保持一致，根據虛擬迭代提取下控制臂連接點載荷譜的技術要求，主要采集通道如表1所列。

表1 主要采集通道

此次實車路譜采集選取國內某試驗場耐久強化試驗道路進行，采集的路面主要包含長波路、扭曲路、搓板路、共振路、短波路、比利時路等典型耐久強化路面，在采集過程中通過GPS設備監測車輛行駛速度及行駛軌跡。

由于載荷譜存在一定的隨機性，為了保證采集信號的有效性及代表性，進行三次采集循環測試，采集頻率選取1 024 Hz。在實際的采集過程中，難免會因為外界干擾導致采集信號失真等現象，比如傳感器受溫度的影響，會造成信號的非正常變化；以及傳輸線路受到物理擠壓會造成信號的突變等，進而影響后續虛擬迭代的精度。因此要對采集的信號進行預處理，首先對采集信號進行工況分割，如圖1所示；再對采集信號進行單位轉換、去除毛刺、修正漂移以及濾波(去除電磁干擾)等，處理前后的信號對比如圖2所示，信號的預處理能夠減小由于采集誤差對于后續載荷提取及疲勞耐久分析結果的影響。

圖1 路面工況分割示意圖

圖2 信號對比

2 多體動力學模型的建立

多體動力學模型的精度直接影響虛擬迭代的準確性，例如：簧上部件和簧下部件的質量、質心位置和轉動慣量，以及襯套剛度及阻尼和減震器阻尼等都是載荷提取的影響因素。因此為了保證整車動力學模型與采集載荷譜的樣車狀態一致，在Adams/Car平臺搭建的整車多體動力學模型相關參數均由采集樣車實測獲得，部件的重量等參數處理如表2所列。

表2 部件物理參數整理

文中的皮卡整車動力學模型包含前懸架、后懸架、轉向系統、動力總成、車架、駕駛室、貨箱、穩定桿等子系統，駕駛室和貨箱需要分別建立子系統，并設置合理的與實車相符的質量、質心位置和轉動慣量。由于車架是皮卡車型中的重要部件，同時也考慮到車架的變形及剛度等因素，因此需要在Adams中采用柔性體建模的方式，以反映出駕駛室的動態響應過程。在Hypermesh軟件中建立車架有限元模型，采用模態綜合疊加法[6]對車架進行模態分析并生成MNF文件用于柔性體建模，在生成MNF文件之前，需要對車架的質量、焊縫鏈接等信息進行確認，以保證生成的MNF文件的準確性。最終，在Adams/Car的Standard Interface(標準界面)中將對應的子系統進行裝配，如圖3所示。為驗證建立的整車模型的準確性，對整車模型進行靜平衡計算，靜平衡時的輪荷與實車測量值進行對比，通過對建模參數的修正使得模型狀態與采集樣車狀態一致。

圖3 整車多體動力學模型

3 下控制臂載荷譜分解與驗證

3.1 虛擬迭代

虛擬迭代本質是一種已知響應反求激勵的方法，需要Femfat.lab軟件與Adams軟件聯合仿真，用容易測得的信號作為響應信號，以白噪聲作為初始激勵信號驅動整車動力學模型，計算整車系統的傳遞函數及逆函數，由于Adams建立的多體模型具有非線性，因此需要進行反復迭代，最終求得能使仿真的內部信號與實測信號接近的激勵信號，迭代流程如圖4所示。主要步驟在Femfat.lab中先以白噪聲為激勵信號驅動整車模型從而得到響應參量并求得整車模型的逆傳遞函數；再以實測六分力作為響應，將仿真的結果與實測的軸頭加速度、懸架彈簧位移等信號進行對標，根據逆傳遞函數計算得到初始的驅動信號，即除輪心垂向力之外的五分力和輪心垂向位移。

圖4 虛擬迭代流程圖

關于虛擬迭代的評價，目前主要從響應信號的時域、頻域及相對損傷比三個方向來開展，時域和頻域主要是可以對仿真結果與實測曲線的幅值、趨勢及相位進行直接比較，如果仿真值與實測值結果相差較大，則需要繼續迭代。同時，仿真結果與實測結果的相對損傷值應滿足0.5～2的行業標準。以共振路工況為例，在經歷了x次迭代后，將仿真和實測的軸頭加速度、懸架彈簧位移及各監測信號的時域曲線進行對比，如圖5所示。

圖5 仿真信號與實測信號時域對比

通過放大局部的特征信號對比可以得知，迭代信號與實測信號在時域內的幅值、趨勢及相位上誤差在10%以內。疲勞分析中的損傷大多集中在0～40 Hz的頻域范圍內，因此在該頻段內進行仿真信號與實測信號的功率譜密度對比，如圖6所示，在0～40 Hz內，信號吻合程度高。圖7為迭代各通道的實測信號與迭代信號的相對損傷結果，相對損傷值均介于0.5～2之間。

圖6 仿真信號與實測信號頻域對比

圖7 仿真信號與實測信號的相對損傷值

3.2 下控制臂載荷提取與驗證

用迭代求解出的五分力與位移驅動整車模型，提取下控制臂的三個連接點載荷譜，分別為下控制臂與轉向節連接點與車架前后連接點。在Hypermesh軟件中對下控制臂進行有限元建模，建立相應的材料屬性，與實車下控制臂保持一致。為了減少應力集中的現象，通過采用一排相互垂直的四邊形網格單元模擬焊縫連接，其余連接點處采用RBE2剛性單元連接。在Hypermesh軟件中對下控制臂施加單位力和單位力矩，開展單位載荷工況分析。再根據迭代的疲勞載荷，基于Ncode軟件對下控制臂開展疲勞計算，疲勞仿真結果與實車在道路耐久試驗中的開裂位置吻合，如圖8所示。后期經整改，解決了該下控制臂的疲勞耐久失效問題。

圖8 仿真結果與實車耐久試驗對比

4 結 語

通過實車采集試驗場道路載荷譜，用實測獲得的參數在Adams軟件搭建整車剛柔耦合多體動力學模型，通過Femfat.lab與Adams相結合，運用虛擬迭代的方法，為準確提取皮卡車下控制臂載荷譜奠定了基礎。利用Hypermesh與nCode軟件結合計算下控制臂的疲勞壽命。并將疲勞耐久仿真與耐久路試試驗結果進行對比，成功復現了下控制臂的開裂情況，證明了此方法的可行性和精確度，可以為汽車底盤零部件的疲勞耐久性能分析驗證提供參考依據。