楊 平，毛星子

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，重慶 401520;2.重慶交通科研設(shè)計(jì)院，重慶 400067)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，在對汽車輕量化、舒適性設(shè)計(jì)的同時，對汽車的安全性和可靠性要求也越來越高，這就需要一種快速有效的疲勞分析和設(shè)計(jì)方法來縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力［1-2］。傳統(tǒng)的試驗(yàn)場道路耐久性試驗(yàn)和室內(nèi)臺架試驗(yàn)耗時長，需花巨大的人力、物力［3-4］。虛擬的耐久性仿真分析以其周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)已成為汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的重要手段。但純粹的虛擬仿真試驗(yàn)還處于經(jīng)驗(yàn)探究階段，其仿真過程不能得到實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，計(jì)算結(jié)果不能得到可靠的驗(yàn)證。而基于實(shí)際道路載荷譜的摩托車車架仿真試驗(yàn)，既為車架模型的驗(yàn)證提供依據(jù)，也為虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁?qū)動信號，讓仿真結(jié)果更具說服力。

筆者首先通過試驗(yàn)場道路載荷譜的采集，得到了車架關(guān)鍵部位的應(yīng)變和加速度響應(yīng)信號，其次通過道路模擬試驗(yàn)技術(shù)迭代出了基于實(shí)際載荷譜的驅(qū)動信號，然后建立了車架的有限元模型，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。最后運(yùn)用道路模擬試驗(yàn)技術(shù)迭代得到的驅(qū)動信號和有限元模型，完成了車架的疲勞壽命預(yù)估。

1 摩托車道路模擬試驗(yàn)

道路模擬(RPC)技術(shù)的基本工作原理是由計(jì)算機(jī)、信號測量裝置和液壓伺服系統(tǒng)組成的道路模擬系統(tǒng)再現(xiàn)汽車實(shí)際行駛工況的力和運(yùn)動，為試驗(yàn)車提供一個非常接近于實(shí)際行駛條件的可控制、可重復(fù)的振動環(huán)境。筆者涉及的道路模擬試驗(yàn)主要分為載荷譜數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)編輯并確定期望響應(yīng)信號、計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、計(jì)算初始的驅(qū)動信號和模擬迭代和模擬試驗(yàn)五個步驟。

(1)道路載荷譜的采集 對影響乘坐舒適性較大的手把、坐墊、腳踏處和能直接反應(yīng)道路譜狀態(tài)的前后軸布置了加速度傳感器，前后軸的響應(yīng)信號可以作為室內(nèi)道路模擬的目標(biāo)信號進(jìn)行迭代;對受力較大的薄弱點(diǎn)和應(yīng)力集中處布置了應(yīng)變片。

(2)數(shù)據(jù)的編輯［5］對采集回來的時域信號進(jìn)行了濾波、除均值和除偏置等處理，得到了室內(nèi)模擬迭代的目標(biāo)響應(yīng)信號。

(3)計(jì)算傳遞函數(shù) 將被測試的摩托車置于道路模擬試驗(yàn)機(jī)上，采用白噪聲為輸入，傳感器采集的實(shí)際響應(yīng)為輸出［2］，將輸入與輸出的互功率譜比上輸入的自功率譜可得到傳遞函H(f)。

(4)模擬迭代 選擇模擬迭代的期望響應(yīng)信號即目標(biāo)信號，用第一次初始驅(qū)動信號激振，同時回收期望響應(yīng)點(diǎn)的驅(qū)動信號。將此信號與期望響應(yīng)信號比較，取得驅(qū)動響應(yīng)的誤差函數(shù)，該函數(shù)與傳遞函數(shù)計(jì)算得到驅(qū)動的誤差函數(shù)。把此函數(shù)乘以一增益值(0～1)疊加到初始驅(qū)動信號上［6］，獲得第1次迭代的驅(qū)動信號，用該信號激振摩托車，可以得到第2次驅(qū)動的誤差函數(shù)。如此重復(fù)，直到回收的響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號相比在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)時終止。將最終迭代的驅(qū)動信號作為實(shí)驗(yàn)的驅(qū)動信號，完成目標(biāo)函數(shù)的迭代模擬。

(5)模擬試驗(yàn) 以最后一次迭代精度較高的驅(qū)動信號作為激勵，回收各測點(diǎn)的響應(yīng)信號進(jìn)行分析。

2 摩托車車架有限元模型的建立及驗(yàn)證［10］

2.1車架有限元模型的建立

筆者是基于實(shí)際道路載荷譜的摩托車車架的疲勞壽命分析，為使仿真與試驗(yàn)結(jié)果盡可能的吻合，添加了前后叉、減震器、發(fā)動機(jī)油箱、貨架、駕駛員等簡化單元來模擬實(shí)際的整車模型，并利用合適的MPC單元將其與車架相連［7，10］。其材料特性:彈性模量為2.1e+5 N/mm2，材料密度為7 800 kg/m3，泊松比為 0.3。整個有限元模型共有46 293個節(jié)點(diǎn)，46 801個單元，14個MPC點(diǎn)。經(jīng)過反復(fù)修改，得到車架的有限元模型如圖1所示。

圖1 車架有限元模型

2.2 模型的驗(yàn)證

因在對車架進(jìn)行有限元分析時，作了一定假設(shè)，省略了一些結(jié)構(gòu)，簡化了模型，所以有必要對車架進(jìn)行模態(tài)分析。筆者利用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN軟件對車架進(jìn)行了自由模態(tài)分析，然后用試驗(yàn)?zāi)B(tài)的方法進(jìn)行了對比驗(yàn)證。表1列出來了車架前9階計(jì)算模態(tài)與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率的對比分析。

表1 車架前六階固有頻率對比 /Hz

可看出，前六階的固有頻率，除第2階偏差較大外，其余誤差均小于5%，這在工程上是允許的。從兩種方法的振型對比來看，有限元計(jì)算的模態(tài)振型與試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型基本吻合。說明車架的有限元模型能夠準(zhǔn)確反映車架的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。

3 車架疲勞壽命的仿真計(jì)算［11］

疲勞壽命分析主要分為:名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力-應(yīng)變法［8］，前者根據(jù)S-N曲線，應(yīng)用疲勞累積損傷理論進(jìn)行壽命估算，適合于高周疲勞;后者用局部應(yīng)力-應(yīng)變法估算裂紋形成壽命，用斷裂力學(xué)估算裂紋擴(kuò)展壽命，兩者之和為總壽命，適合于低周疲勞［9］。摩托車車架屬于高周疲勞，因此選用累積損傷理論對摩托車車架進(jìn)行壽命估算。

將有限元模型的幾何信息、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果、材料屬性和道路模擬試驗(yàn)機(jī)迭代后的驅(qū)動信號輸入MSC.Fatigue軟件，得到了車架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命云圖，如圖2所示。從計(jì)算結(jié)果可看出，車架的最小壽命值為105.2 ，約為 15.9 萬 km。

圖2 車架壽命云圖

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析

為了驗(yàn)證車架疲勞損傷仿真預(yù)估的有效性，利用道路模擬試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)分析處理軟件RPC的疲勞分析功能，對其進(jìn)行了壽命計(jì)算。采用雨流計(jì)數(shù)法得出損傷參數(shù)的頻次分布，按照Miner線性損傷累積法則，把各個滯回環(huán)所造成的疲勞損傷累加起來得到各個載荷歷程在材料中所造成的疲勞損傷值。通過對各個應(yīng)變測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，發(fā)現(xiàn)位于后座位處測點(diǎn)S7的應(yīng)變值最大，于是針對該危險點(diǎn)進(jìn)行了損傷計(jì)算。圖3為測點(diǎn)S7的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)直方圖，圖4為測點(diǎn)S7的每個滯回環(huán)的累積損傷圖。

圖3 測點(diǎn)S7的雨流計(jì)數(shù)直方圖

圖4 測點(diǎn)s7的滯回環(huán)累積損傷圖

測點(diǎn)7即后座位處的疲勞累積損傷值D=1.3E-06，根據(jù)疲勞壽命計(jì)算公式，可得后座位處的疲勞壽命L f=17萬km。即在試驗(yàn)場摩托車耐久試驗(yàn)道的路況下，車架的壽命約為17萬km。有限元分析中由于局部網(wǎng)格質(zhì)量較差，得出的壽命要小些。但是兩者的壽命值非常接近。說明了仿真過程的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

利用道路模擬試驗(yàn)技術(shù)得到了車架的實(shí)測響應(yīng)和接近實(shí)際路面的激勵信號，結(jié)合有限元技術(shù)對車架進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)估，對其耐久性進(jìn)行了全面分析。從分析可得，基于實(shí)測載荷譜的虛擬疲勞壽命計(jì)算，既避免了仿真計(jì)算與實(shí)際壽命存在過大偏差問題，又克服了試驗(yàn)場試驗(yàn)效率低，費(fèi)用高的困難，利于汽車整車及零部件的疲勞壽命分析在工程中的實(shí)際應(yīng)用。車架的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果為車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)，也為車架的各項(xiàng)性能評價提供了可靠的有限元模型。

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