宋自力++劉俊紅

摘要： 基于道路譜的半分析載荷對(duì)某汽車(chē)底盤(pán)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析.采集實(shí)車(chē)在試車(chē)場(chǎng)各種惡劣行駛環(huán)境下的道路譜，作為整車(chē)動(dòng)力學(xué)分析的載荷條件.建立剛?cè)狁詈系恼?chē)多體動(dòng)力學(xué)模型，基于柔性體模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)獲取分析部件連接點(diǎn)的載荷，并作為有限元分析的輸入載荷.應(yīng)用慣性釋放法進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析，得到底盤(pán)部件的應(yīng)力分布特征，據(jù)此確定薄弱區(qū)域.相對(duì)于全分析載荷，半分析載荷的強(qiáng)度分析能更有效預(yù)測(cè)底盤(pán)部件薄弱區(qū)域.

關(guān)鍵詞：

汽車(chē)； 底盤(pán)； 道路譜； 半分析載荷； 有限元

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0前言

底盤(pán)零部件是汽車(chē)最重要最關(guān)鍵的組成部分之一，其強(qiáng)度和疲勞壽命在設(shè)計(jì)階段必須給予足夠重視.CAE可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)底盤(pán)部件存在的局部強(qiáng)度不足、壽命過(guò)低以及焊縫和焊點(diǎn)布置不合理等問(wèn)題.為保證汽車(chē)在惡劣的行駛環(huán)境下底盤(pán)不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂或在規(guī)定使用期限內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，需要進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析和疲勞壽命預(yù)測(cè).一般來(lái)說(shuō)，底盤(pán)部件應(yīng)先進(jìn)行強(qiáng)度分析，當(dāng)滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行疲勞分析.但是，不論是強(qiáng)度分析還是疲勞分析，獲得研究對(duì)象正確的邊界載荷都是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵.一些載荷獲取技術(shù)如車(chē)輪力傳感器（六分力傳感器）、時(shí)域波形再現(xiàn)、虛擬試驗(yàn)場(chǎng)等，為獲取底盤(pán)部件的邊界載荷提供技術(shù)支撐.

底盤(pán)強(qiáng)度分析載荷按獲取方式可分為全分析載荷和半分析載荷2種.全分析載荷通常又稱(chēng)為G載荷，是基于簡(jiǎn)單的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，在多體前（后）懸臺(tái)架上模擬各種典型的極限靜載工況，然后獲取連接點(diǎn)載荷.這種方法依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，比較容易施行，適合使用在無(wú)樣車(chē)和概念設(shè)計(jì)階段，但也存在一定的局限性，即準(zhǔn)確性和有效性不能保證.半分析載荷是將實(shí)測(cè)的輪心和動(dòng)力系統(tǒng)載荷通過(guò)分析模型傳輸?shù)秸?chē)的各個(gè)部分，然后獲取部件載荷.與全分析載荷相比，半分析載荷要更準(zhǔn)確可靠.本文詳述半分析載荷的獲取方法和過(guò)程，通過(guò)與全分析載荷的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比，說(shuō)明半分析載荷對(duì)有效預(yù)測(cè)底盤(pán)部件薄弱位置的作用和優(yōu)勢(shì).

1方法和過(guò)程

基于道路譜的底盤(pán)靜強(qiáng)度分析流程見(jiàn)圖1，包括道路譜采集、分析工況確定、多體動(dòng)力學(xué)仿真和有限元模型靜強(qiáng)度分析過(guò)程.道路譜的準(zhǔn)確性和多體動(dòng)力學(xué)模型的精度極大地影響最后的應(yīng)力分析結(jié)果，因此需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證.

2道路譜采集

2.1信號(hào)采集和處理

采集實(shí)車(chē)在不同路面和性能道路上行駛的道路譜，包括石塊路、修復(fù)路、鵝卵石路和坑洼路等.這些路面嚴(yán)重不平整，底盤(pán)承受很大的載荷.性能道路上的極限制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)彎、極限轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)等工況，底盤(pán)同樣承受很大載荷.這些工況代表用戶(hù)使用過(guò)程中可能會(huì)遇到的惡劣行駛環(huán)境，在設(shè)計(jì)階段必須保證底盤(pán)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.

采集4個(gè)輪心載荷的3個(gè)方向的力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z和力矩Mx，My，Mz，六分力傳感器測(cè)量方向和建立的整車(chē)坐標(biāo)系關(guān)系見(jiàn)圖2， y向測(cè)量力、力矩與整車(chē)坐標(biāo)系y向反，其他一致；采集4個(gè)軸頭、4個(gè)減震器上端的3向加速度，測(cè)量坐標(biāo)系與整車(chē)坐標(biāo)系相同；采集軸頭與車(chē)身的相對(duì)位移和轉(zhuǎn)向機(jī)位移，測(cè)量坐標(biāo)系與整車(chē)坐標(biāo)系相同.

對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括單位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分割、濾波、去漂移和數(shù)據(jù)壓縮以及信號(hào)轉(zhuǎn)換等.數(shù)據(jù)壓縮的目的是減少后期多體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)間.信號(hào)轉(zhuǎn)換是將無(wú)法直接測(cè)量的信號(hào)用間接測(cè)量值轉(zhuǎn)換為目標(biāo)值，如方向盤(pán)轉(zhuǎn)角需要由齒條位移信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái).根據(jù)路面不同特征對(duì)數(shù)據(jù)分割，得到實(shí)車(chē)不同惡劣路況的道路譜見(jiàn)圖3，對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行低頻濾波去除毛刺后見(jiàn)圖4.

2.2信號(hào)驗(yàn)證

道路譜采集后需要驗(yàn)證信號(hào)準(zhǔn)確性，方法包括通道間的相位和幅值關(guān)系驗(yàn)證、靜載荷數(shù)據(jù)驗(yàn)證、軸頭加速度與位移驗(yàn)證等.這里用車(chē)輪半徑數(shù)據(jù)驗(yàn)證極限制動(dòng)工況道路譜是否準(zhǔn)確.

制動(dòng)時(shí)無(wú)動(dòng)力輸出，應(yīng)滿(mǎn)足

My=-FxR+C（1）

式中：My為輪心扭矩；Fx為輪心縱向力；R為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；C為常數(shù)項(xiàng).對(duì)4輪My和Fx進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到線(xiàn)性關(guān)系式

右前輪：My=-331.001Fx+77 360.9 （2）

左前輪：My=-345.182Fx-34 841.9 （3）

右后輪：My=-359.397Fx+1 033.1 （4）

左后輪：My=-367.332Fx+12 492.9 （5）

得到4輪滾動(dòng)半徑依次為331，345，359和367 mm.由于載荷分配不可能完全一致，所以4輪滾動(dòng)半徑有差別，但基本在350 mm左右，說(shuō)明道路譜準(zhǔn)確性較好.

1—窨井路；2—減速坎；3—鐵道口；4—水泥修復(fù)路；5—水泥破損路；6—方坑甲；7—鐵餅路；8—方坑乙；9—魚(yú)鱗坑；10—多種石塊路；11—卵石路；12—扭曲路；13—搓板路；14—規(guī)則石塊路

3分析工況確定

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和后處理，一共獲得實(shí)車(chē)20多種惡劣工況的道路譜，從中選取載荷最大的幾種工況.基于所有工況的六分力數(shù)據(jù)中的最大Fx，最大Fy和最大Fz，綜合比較確定5種典型工況，見(jiàn)表1.

4多體動(dòng)力學(xué)仿真

4.1多體動(dòng)力學(xué)仿真輸入

建立多體動(dòng)力學(xué)模型，考慮部件變形對(duì)仿真結(jié)果的影響，用柔性體建立副車(chē)架、擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)等部件，形成整車(chē)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?jiàn)圖5，車(chē)輛坐標(biāo)系與圖2整車(chē)坐標(biāo)系保持一致.柔性體模型（模態(tài)中性文件MNF）用模態(tài)綜合法在OptiStruct中計(jì)算生成.以24個(gè)六分力載荷數(shù)據(jù)和1個(gè)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，共25個(gè)通道輸入多體模型，模擬整車(chē)在道路上運(yùn)動(dòng)的受力狀態(tài).對(duì)于前輪驅(qū)動(dòng)，前輪My正信號(hào)來(lái)自于動(dòng)力總成輸出扭矩，非路面造成，所以My只用負(fù)信號(hào)輸入.后輪不可能產(chǎn)生向前驅(qū)動(dòng)的扭矩，My出現(xiàn)正信號(hào)可能是誤差所致，也只用負(fù)信號(hào)輸入.輸入方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)修正縱向力和橫向力.

4.2整車(chē)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷尿?yàn)證

多體動(dòng)力學(xué)模型精確與否直接影響載荷的求解結(jié)果，有必要進(jìn)行模型校核和參數(shù)修正，先靜態(tài)校核后動(dòng)態(tài)校核.由于阻尼等參數(shù)有很大的不確定性，造成模型精度不夠，動(dòng)態(tài)校核就是不斷修正這些參數(shù)，以達(dá)到相同激勵(lì)下多體動(dòng)力學(xué)和物理樣車(chē)的響應(yīng)一致.工況1道路譜的激勵(lì)下，多體動(dòng)力學(xué)仿真的軸頭加速度、位移的響應(yīng)值見(jiàn)圖6和7，由此可知：仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)值一致性較好；位移標(biāo)準(zhǔn)差誤差為11.1%，均方根誤差為0；加速度標(biāo)準(zhǔn)差誤差為12.3%，均方根誤差為12.3%，說(shuō)明多體模型精確性較好.

4.3連接點(diǎn)的載荷提取

多體仿真可以得到分析部件（以前副車(chē)架為例）連接點(diǎn)的載荷譜.工況1下副車(chē)架連接點(diǎn)的載荷譜見(jiàn)圖8.對(duì)前副車(chē)架進(jìn)行模態(tài)分析得到第1階模態(tài)為150 Hz，表面某測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變功率譜密度曲線(xiàn)見(jiàn)圖9.由此可知：載荷主要在30 Hz以?xún)?nèi)，低于最低模態(tài)的1/4，所以可以不考慮載荷譜激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用靜力學(xué)方法分析其強(qiáng)度即可.從連接點(diǎn)載荷譜中提取 “代表性載荷”作為有限元模型的邊界輸入.

模態(tài)中性文件中包含主模態(tài)矩陣和約束模態(tài)矩陣，用模態(tài)矢量和模態(tài)坐標(biāo)的線(xiàn)性組合表示彈性位移，通過(guò)縮減陣型減少自由度，達(dá)到減少計(jì)算量的目的.為保證一定精度，寫(xiě)入的模態(tài)數(shù)量不能過(guò)少.柔性體的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力可以通過(guò)Admas/Durability按照模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)（ Modal Stress Recovery，MSR）算法計(jì)算得到，但需要在生成模態(tài)中性文件時(shí)將模態(tài)應(yīng)力矩陣也寫(xiě)入.通過(guò)MSR得到的某節(jié)點(diǎn)應(yīng)力歷程見(jiàn)圖10，顯示應(yīng)力跟隨載荷激勵(lì)而變化.通過(guò)Durability/Hotspot找到仿真過(guò)程中應(yīng)力最大的前10個(gè)位置及其相應(yīng)時(shí)刻，提取10個(gè)時(shí)刻的所有連接點(diǎn)載荷，作為“代表性載荷”用于有限元靜強(qiáng)度分析.

模態(tài)綜合法縮減部件有限元模型的自由度數(shù)量，對(duì)動(dòng)力學(xué)有限元分析提高仿真效率具有重要作用，但某些情況下模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)的精度會(huì)因此降低.有限元分析中，獲取準(zhǔn)確的應(yīng)力梯度場(chǎng)通常比獲取準(zhǔn)確的位移場(chǎng)和模態(tài)需要更細(xì)的網(wǎng)格和更多的自由度 [8]，縮減自由度顯然對(duì)應(yīng)力精確性的影響要大于位移和模態(tài).相對(duì)于MSR，運(yùn)用MSC Nastran對(duì)有限元模型進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力恢復(fù)，因?yàn)闆](méi)有縮減模型自由度，因而應(yīng)力精確性更有保證.

5有限元靜力學(xué)強(qiáng)度分析

用慣性釋放法對(duì)前副車(chē)架在5種工況下進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，每個(gè)工況都需要在10個(gè)“代表性載荷”下考察其應(yīng)力水平.分析結(jié)果只有在工況1下應(yīng)力較大，存在2處薄弱區(qū)域需給予關(guān)注.工況1在t=10.67 s載荷下的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖11a，發(fā)現(xiàn)一處的應(yīng)力達(dá)到452 MPa，超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度440 MPa，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)很大.工況1在t=7.39 s載荷下的分析結(jié)果見(jiàn)圖11b，顯示焊縫端的應(yīng)力為1 047 MPa，由于此處出現(xiàn)應(yīng)力奇異[9]，真實(shí)的應(yīng)力不應(yīng)該那么大.周?chē)鷨卧拿x應(yīng)力[10]顯示為467 MPa，所以焊縫處的材料強(qiáng)度仍然不足，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也很大.前副車(chē)架在路試后的開(kāi)裂照片見(jiàn)圖12，開(kāi)裂部位與圖11所預(yù)測(cè)位置吻合.

制動(dòng)1g全分析載荷下的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖13，與半分析載荷應(yīng)力相比，薄弱位置與圖11a相同，只是結(jié)果偏大，但焊縫處應(yīng)力顯示為290 MPa，表明該處存在的薄弱問(wèn)題未從此結(jié)果中反映出來(lái).

緊急右轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)工況下的右前轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖14.半分析載荷下的最大應(yīng)力位于圖14a所示區(qū)域，達(dá)到399 MPa，小于材料抗拉強(qiáng)度500 MPa，說(shuō)明能滿(mǎn)足使用要求.全分析載荷下相同位置的應(yīng)力達(dá)到577 MPa，超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明不能滿(mǎn)足要求.最終路試結(jié)果未見(jiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)破壞，與半分析載荷分析結(jié)果吻合.表明基于道路譜半分析載荷的強(qiáng)度分析對(duì)底盤(pán)部件應(yīng)力預(yù)估、薄弱區(qū)域預(yù)測(cè)更全面準(zhǔn)確，而基于全分析載荷的分析方法具有明顯局限性.

6結(jié)論

1）通過(guò)在試車(chē)場(chǎng)實(shí)車(chē)采集，獲得各種惡劣工況下的道路譜，從中選取載荷較大的5種典型工況，用以考察底盤(pán)強(qiáng)度.

2）建立精度較好的整車(chē)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，以道路譜為邊界載荷，基于柔性體模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)，提取前副車(chē)架在每個(gè)工況下的10個(gè)代表性載荷.

3）用慣性釋放法對(duì)前副車(chē)架、轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，分析結(jié)果預(yù)測(cè)的2處薄弱位置與路試結(jié)果一致.通過(guò)比較，基于道路譜半分析載荷的底盤(pán)靜強(qiáng)度分析比基于全分析載荷更能有效預(yù)估應(yīng)力和預(yù)測(cè)薄弱區(qū)域.

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（編輯武曉英）