基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的牽引車動(dòng)態(tài)載荷研究

摘" 要：基于Adams軟件的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)載荷分解技術(shù)在乘用車耐久性能開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)于重卡車型，由于車輛模型復(fù)雜、參數(shù)有限且測(cè)試難度大，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用推廣受到限制。搭建某牽引車整車多體動(dòng)力學(xué)模型及虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真環(huán)境，同時(shí)采集試驗(yàn)場(chǎng)工況下的實(shí)車載荷譜數(shù)據(jù)并與虛擬試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)仿真分析提取的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行對(duì)比。使用相對(duì)偽損傷比值、頻譜分析等評(píng)估比利時(shí)、扭曲路、搓板路等典型路面工況下仿真與實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)的差異。結(jié)果表明：基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)載荷提取技術(shù)可應(yīng)用于牽引車車型且可實(shí)現(xiàn)較高的精度，是一種獲取試驗(yàn)場(chǎng)耐久工況載荷譜的有效方法。

關(guān)鍵詞：虛擬試驗(yàn)場(chǎng)；載荷分解；路面模型；牽引車

中圖分類號(hào)：U467" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：1005-2550（2024）01-0027-07

Research on Dynamic Load of Tractor Based on VPG

WANG Qing-hua1， WANG Li-rong2， CHEN Xiao-hua2， LI Meng-ran1， HUANG Gang1

（1.National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， China; 2. Beijing Foton Daimler Automobile Co.， Ltd， Beijing 101400， China）

Abstract： The dynamic load decomposition technology of VPG based on Adams is widely applied in the field of passenger car durability performance development. For heavy truck， the application and promotion of VPG are limited due to the complexity of vehicle models， limited parameters， and high RLDA testing difficulty. The complete vehicle multi-body dynamics model of a tractor and virtual proving ground simulation environment are built based on Adams. The real vehicle load data acquisition of the proving ground events was carried out and compared with the dynamic loads extracted from dynamic simulation analysis of the virtual proving ground to verify the model accuracy and load accuracy. Relative pseudo damage ratio， RMS value ratio， and spectrum analysis were used to evaluate the differences between simulated and measured load data under typical road conditions such as Belgium， twisted roads， and washboard roads. It is proved that The dynamic load extraction technology based on virtual proving ground can be applied to tractor models and achieve high accuracy， which is an effective method for obtaining the load data of proving ground durability events.

Key Words： Virtual Proving Ground; Load Extraction; Road Model; Tractor

隨著高精度路面掃描和輪胎力學(xué)模型建模等技術(shù)快速發(fā)展，基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)（Virtual Proving Ground）的動(dòng)態(tài)載荷提取技術(shù)在車型開發(fā)早期階段即可開展，可有效縮短開發(fā)周期和試驗(yàn)成本[1-4]。在乘用車領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真技術(shù)在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，越來(lái)越多的車企將虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)納入耐久性能開發(fā)技術(shù)體系。范璐，榮兵等將基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)提取的載荷用于疲勞分析、懸架臺(tái)架耐久試驗(yàn)等領(lǐng)域，驗(yàn)證虛擬試驗(yàn)場(chǎng)載荷提取方法的實(shí)用性[5-6]。楊建森等對(duì)比了柔性體車身、簧下質(zhì)量對(duì)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真結(jié)果的影響，基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行了駕駛室疲勞分析及驗(yàn)證[7-9]。

對(duì)于重卡車型，受限于整車道路載荷譜數(shù)據(jù)及零部件特性測(cè)試資源，虛擬試驗(yàn)仿真技術(shù)應(yīng)用推廣較慢。夏學(xué)文等基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)對(duì)混凝土攪拌車進(jìn)行多體模型建模及驗(yàn)證研究，驗(yàn)證了建模方法的有效性[10]。近年來(lái)，重卡車型開發(fā)節(jié)奏加快，競(jìng)爭(zhēng)加劇，如何利用虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的問(wèn)題。

本文以6×4牽引車為研究對(duì)象，在adams軟件中創(chuàng)建整車多體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合Ftire（Flexible Ring Tire）輪胎模型與CRG（Curved Regular Grid）路面模型，構(gòu)建了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真環(huán)境。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，指出提高模型精度的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)級(jí)和整車級(jí)對(duì)標(biāo)分析，實(shí)現(xiàn)了較高的仿真精度，驗(yàn)證了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)在重卡車型上的實(shí)用性。

1" " 虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真環(huán)境搭建

1.1" "路面模型

將試驗(yàn)場(chǎng)真實(shí)路面進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字化重構(gòu)，是搭建虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真環(huán)境的基礎(chǔ)。CRG格式路面模型具有計(jì)算效率高，使用靈活等特點(diǎn)，成為虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真的首選路面格式[11-12]。

本文使用高精度三維激光掃描設(shè)備，對(duì)襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化耐久路面進(jìn)行掃描，獲取試驗(yàn)場(chǎng)特征路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理成CRG格式，即可導(dǎo)入adams軟件，用于整車多體動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1.2" "Ftire模型

Ftire柔性環(huán)輪胎模型是由德國(guó)Michael GisPER教授提出的一種物理輪胎模型，具有完全非線性，適應(yīng)頻率范圍超過(guò)120Hz等特點(diǎn)，可用于平順性和在任意路面上進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)仿真[13-15]。

通過(guò)輪胎臺(tái)架試驗(yàn)開展特定工況的力學(xué)特性試驗(yàn)后，使用cosin/fitting軟件進(jìn)行模型辨識(shí)是Ftire模型辨識(shí)的主要方法。受限于軟硬件設(shè)施，國(guó)內(nèi)重卡輪胎測(cè)試資源較少，本文涉及的Ftire輪胎測(cè)試與模型辨識(shí)工作主要由美國(guó)輪胎測(cè)試與辨識(shí)供應(yīng)商完成，F(xiàn)tire輪胎測(cè)試工況如表1所示：

1.3" "整車模型搭建及優(yōu)化

本文采用adams軟件搭建整車多體動(dòng)力學(xué)模型，在adams軟件提供的卡車模型庫(kù)中模型的基礎(chǔ)上，搭建本文涉及的6×4牽引車動(dòng)力學(xué)模型主要包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，牽引車前懸架及后懸雙橋懸架，車廂，柔性體車架，駕駛室，掛車懸架等。圖2所示為整車多體動(dòng)力學(xué)模型。

為體現(xiàn)車架變形對(duì)車輛動(dòng)態(tài)載荷的影響，本文基于有限元制作了柔性車架，車架附件如電瓶框、油箱等，簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)通過(guò)rigid單元與車架進(jìn)行連接。求解輸出mnf文件后，在adams flex模塊中對(duì)其進(jìn)行縮減，用PLOTEL單元顯示車架框架，可大幅縮小mnf文件尺寸，進(jìn)而縮短計(jì)算和渲染過(guò)程的時(shí)間，提高VPG仿真效率。駕駛室模型采用剛體結(jié)構(gòu)，忽略駕駛室本體變形對(duì)懸置點(diǎn)載荷的影響。

采用Adams專業(yè)板簧建模插件Leaf Spring創(chuàng)建前懸架板簧，可根據(jù)板簧圖紙快速完成板簧模型建模，將三片簧簡(jiǎn)化為單片簧，通過(guò)調(diào)整彈性模量參數(shù)即可將模型中板簧剛度調(diào)整至與實(shí)測(cè)值一致。

本文涉及到的牽引車后懸為空氣彈簧懸架，車輛根據(jù)懸架高度傳感器調(diào)整對(duì)空氣彈簧進(jìn)行充放氣，以達(dá)到調(diào)節(jié)剛度和車輛姿態(tài)的目的。空氣彈簧的特性曲線通過(guò)試驗(yàn)獲取，本文參考GB/T 13061-2017中試驗(yàn)方法，獲取多個(gè)氣壓下空氣彈簧彈性特性曲線。在進(jìn)行懸架分析時(shí)，根據(jù)輸入的“預(yù)載”從多條曲線中“插值”得出用于分析的空簧特性曲線。在進(jìn)行整車仿真分析時(shí)，根據(jù)靜平衡時(shí)空簧載荷“插值”確定其特性曲線，該曲線在整車仿真后續(xù)計(jì)算時(shí)不再變化。

此外，掛車懸架采用板簧懸架，掛車車廂為剛體，使用襯套將掛車與牽引車鞍座連接，通過(guò)調(diào)節(jié)襯套特性，模擬掛車與鞍座連接處的實(shí)際約束。

2" " 多體動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1" "模型調(diào)試

為確認(rèn)整車多體模型的正確性，需要依次完成懸架系統(tǒng)KC特性分析，整車水平路面直線行駛及低速轉(zhuǎn)向行駛仿真分析，確保各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系正確，特別是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模正確性。

受限于國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資源，僅對(duì)車輪前懸架進(jìn)行了KC試驗(yàn)。在adams中使用懸架裝配體進(jìn)行KC仿真并選取與試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的擬合區(qū)間計(jì)算指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果見表2，曲線對(duì)比結(jié)果見表6-8所示。結(jié)果表明，懸架剛度、側(cè)傾剛度及轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)比誤差均在10%以內(nèi)。對(duì)于其他KC特性指標(biāo)，主要對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)，如圖9所示，此處不再贅述。

對(duì)于尚處于開發(fā)早期階段，暫不具備試驗(yàn)條件的車輛，可按照板簧剛度及穩(wěn)定桿外形尺寸等設(shè)計(jì)值進(jìn)行建模。

車輛后懸架為空氣懸架，后懸空簧“力-位移”特性曲線通常來(lái)自2mm/min加載條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或設(shè)計(jì)值，如圖10所示。由于該加載速度無(wú)法充分體現(xiàn)空簧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的非線性特性，需要對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，加強(qiáng)非線性特性，修正方法為增加大位移段的曲線斜率，修正后空簧特性曲線如圖11所示。

2.2" "整車載荷譜采集

在襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)按照整車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行整車道路載荷譜采集試驗(yàn)，載荷狀態(tài)為滿載狀態(tài)（帶掛車），主要安裝了車輪六分力、軸頭及車架加速度、減振器位移等傳感器，采集通道明細(xì)見表3。圖12所示為部分傳感器圖片。

試驗(yàn)場(chǎng)采集前應(yīng)對(duì)車輛姿態(tài)、駕駛室狀態(tài)、各車輪輪荷、緩沖塊間隙、油料狀態(tài)等信息進(jìn)行確認(rèn)，用于模型參數(shù)調(diào)整，提升整車仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度。

2.3" "對(duì)比信號(hào)通道與工況

現(xiàn)階段，基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)載荷分解技術(shù)主要用于提取車架及底盤件疲勞載荷，為了將虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真提取載荷與實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行對(duì)比，準(zhǔn)確評(píng)估模型精度和輸出載荷的精度，需要明確對(duì)比信號(hào)通道和工況。

選取比利時(shí)路、扭曲路路等5個(gè)工況進(jìn)行對(duì)標(biāo)，選取輪心垂向力、輪心加速度、懸架位移等垂向通道作為重點(diǎn)關(guān)注的載荷通道，仿真輸出載荷通道與實(shí)車采集的載荷的數(shù)據(jù)指標(biāo)應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，用于確保模型精度，將重點(diǎn)關(guān)注的載荷通道用“Y”標(biāo)注；對(duì)于參考通道，其仿真精度有限，通常對(duì)載荷通道中的異常值進(jìn)行排查確認(rèn)，用“R”標(biāo)注；對(duì)于暫不考慮的載荷通道，用“N”表示。扭曲路工況車速較低，輪心垂向加速度響應(yīng)水平較低，因此不作為評(píng)估指標(biāo)。工況與信號(hào)通道選取結(jié)果如表4所示：

2.4" "仿真與實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)比結(jié)果

本文涉及的耐久工況均為勻速行駛，VPG仿真時(shí)，車速取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中車速平均值，速度差異導(dǎo)致仿真輸出載荷數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定相位差。另外，VPG仿真時(shí)車輛模型行駛軌跡與實(shí)車測(cè)試時(shí)車輛行駛軌跡不完全重合，導(dǎo)致隨機(jī)路面部分峰值無(wú)法復(fù)現(xiàn)。采用相對(duì)偽損傷比值、RMS值比值、功率譜密度三個(gè)指標(biāo)對(duì)仿真精度進(jìn)行評(píng)估。相對(duì)偽損傷比值定義為應(yīng)用Miner線性累計(jì)損傷理論計(jì)算出仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偽損傷值之比RMS比值定義為某通道信號(hào)仿真與實(shí)測(cè)輸出時(shí)域信號(hào)RMS值之比。所涉及計(jì)算均使用nCode軟件完成。

在車輛模型與實(shí)車載荷狀態(tài)接近的前提下，時(shí)域數(shù)據(jù)RMS值可一定程度表征時(shí)域信號(hào)“能量”，RMS值比值用于評(píng)估仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的幅值差異。5個(gè)工況共計(jì)74個(gè)RMS比值統(tǒng)計(jì)見表5，其中64個(gè)指標(biāo)在0.8-1.2范圍內(nèi)，占比約86%。RMS比值指標(biāo)中最大值為1.52，對(duì)應(yīng)扭曲路工況左前懸架位移通道。最小值為0.68，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波路中橋右輪垂向加速度通道。

偽損傷比值用于評(píng)估同一載荷通道仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)損傷當(dāng)量關(guān)系，比值越接近1，則表明仿真與實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)的損傷水平越接近。使用nCode軟件PDI模塊進(jìn)行計(jì)算仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置SN斜率為-3，截距為1e5，仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比值如表6所示。由于重卡的整車多體動(dòng)力學(xué)模型較普通乘用車復(fù)雜，影響模型精度的因素更多，因此采用0.3-3.0為損傷比值對(duì)偽損傷比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，74個(gè)指標(biāo)中，73個(gè)指標(biāo)均在0.3-3.0范圍內(nèi)，指標(biāo)最大值為4.02，最小值為0.32，說(shuō)明模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度達(dá)到預(yù)期水平，模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)車接近，該模型分解的載荷可用于后續(xù)的零部件疲勞分析。

功率譜密度可用于確認(rèn)仿真與實(shí)測(cè)載荷通道的頻率成分，主要用于確認(rèn)車輛模型簧下振動(dòng)響應(yīng)頻率和響應(yīng)水平與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。圖13與圖14分別為比利時(shí)路與搓板路左前輪心垂向加速度PSD譜，結(jié)果表明整車模型的簧下加速度響應(yīng)水平與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)且頻率分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。

對(duì)于低速工況如扭曲路可以直接對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)域曲線以評(píng)估模型仿真精度。如圖15所示，仿真與實(shí)測(cè)輪心垂向力基本一致，表明整車模型在扭曲路上運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與實(shí)測(cè)時(shí)狀態(tài)基本一致，VPG仿真較好地還原了實(shí)車運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

3" " 結(jié)論

本文基于adams建立了某6×4牽引車的整車動(dòng)力學(xué)模型，使用襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)耐久特征路面模型，搭建了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真環(huán)境，闡述了建模過(guò)程到系統(tǒng)對(duì)標(biāo)指標(biāo)再到整車載荷譜數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)全過(guò)程。

選取五個(gè)典型工況輪心垂向力、輪心垂向加速度、懸架位移共計(jì)74個(gè)通道對(duì)評(píng)估VPG與實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)在RMS值、PSD譜、偽損傷等維度的差異。結(jié)果表明VPG仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)具有良好的吻合性，所述方案具有良好的仿真精度，分解出的載荷譜數(shù)據(jù)可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件疲勞壽命計(jì)算。

此外，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真技術(shù)相較于傳統(tǒng)方法主要特征是效率高。在積累一定對(duì)標(biāo)經(jīng)驗(yàn)之后，可逐步減少對(duì)實(shí)測(cè)道路載荷譜數(shù)據(jù)的依賴，實(shí)現(xiàn)在開發(fā)早期缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下為疲勞分析提供相對(duì)可靠的零部件疲勞分析載荷。隨著重卡車型輪胎模型數(shù)據(jù)庫(kù)及道路載荷譜數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷積累，虛擬試驗(yàn)場(chǎng)仿真技術(shù)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

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專家推薦語(yǔ)

陳建武

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院研究員級(jí)高級(jí)工程師

該文進(jìn)行了全尺寸半掛牽引車VPG仿真技術(shù)研究，并達(dá)到了良好的模擬精度，值得行業(yè)推廣。

王慶華

畢業(yè)于重慶大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（襄陽(yáng)），主要研究方向?yàn)樘摂M試驗(yàn)場(chǎng)仿真。