楊俊青，王亞平，楊雄，劉財(cái)民，令海強(qiáng)

（東風(fēng)華神汽車有限公司 技術(shù)中心，湖北 十堰442000）

在常規(guī)車架強(qiáng)度分析中，約束及加載的普遍做法是用celas1 彈簧單元模擬鋼板彈簧單個(gè)方向的剛度，約束車輪部分自由度，在其他車輪上增加強(qiáng)制位移，同時(shí)施加各個(gè)方向的加速度［1］。這種方法簡(jiǎn)單易行，但存在各部件間約束不當(dāng)、運(yùn)動(dòng)副無法模擬、多部位沒有載荷的缺點(diǎn)，不能真實(shí)反映實(shí)際車輛在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的復(fù)雜受力情況。同時(shí)，當(dāng)利用多體動(dòng)力學(xué)軟件模擬整車運(yùn)行工況來提取載荷時(shí)，忽略變形影響得到的載荷與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差很大，其中車架變形對(duì)整車各個(gè)部件的載荷結(jié)果影響最大。因此分析結(jié)果也與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差較大。文中在ADAMS Car 中搭建重型卡車整車動(dòng)力學(xué)模型，將車架及其固連部件柔性化，并模擬真實(shí)工況，應(yīng)力分析結(jié)果更加接近試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 整車多體動(dòng)力學(xué)建模

重型卡車整車動(dòng)力學(xué)模型使用ADAMS Car 模塊通過調(diào)用各子系統(tǒng)搭建而成，子系統(tǒng)通過調(diào)用對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模板、更改硬點(diǎn)坐標(biāo)等相關(guān)參數(shù)建立。系統(tǒng)模板包括駕駛室系統(tǒng)模板、雙前軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模板、前后懸架系統(tǒng)模板、前后板簧系統(tǒng)模板、車架及其固連部件系統(tǒng)模板、動(dòng)力總成及傳動(dòng)系統(tǒng)模板、前后輪胎系統(tǒng)模板、制動(dòng)系統(tǒng)模板等。

將車架主副梁和下防護(hù)、駕駛室前后懸下支架、動(dòng)力總成懸置下支架、鋼板彈簧支架、減震器上支架、平衡懸架總成、中間推力桿上支座、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架、外掛附屬件支架等固連在主梁上的部件建立在同一個(gè)模板里面，生成車架及其固連部件系統(tǒng)模板（柔性體），如圖1所示。模板定義了子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過約束將各結(jié)構(gòu)組合在一起。為了與外部模板建立連接關(guān)系，在各個(gè)模板內(nèi)建立輸入輸出通訊器。在整車裝配過程中各個(gè)模板之間通過通訊器交換裝配部件名稱、裝配位置坐標(biāo)、特性參數(shù)等信息，從而自動(dòng)捕捉裝配信息，完成整車裝配，整車動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖1 車架及其固連部件系統(tǒng)模板

圖2 整車動(dòng)力學(xué)模型

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件模擬整車運(yùn)行工況來提取載荷時(shí)，車身橫向穩(wěn)定桿、鋼板彈簧、前軸橫向穩(wěn)定桿、車架等部件會(huì)產(chǎn)生較大變形，忽略變形影響得到的各部件間載荷與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差很大，因此采用柔性體模型。ADAMS中柔性體模型可分為離散和模態(tài)2 種形式。離散模型通過梁?jiǎn)卧绞酱B得到，隨著梁?jiǎn)卧獢?shù)目的增加，變形結(jié)果趨于與實(shí)際變形一致，這種方式僅適合于簡(jiǎn)單模型，如車身穩(wěn)定桿、懸架穩(wěn)定桿、鋼板彈簧等。模態(tài)模型一般由有限元軟件產(chǎn)生，適用于更加復(fù)雜的情況，如車架及其固連部件系統(tǒng)。文中重點(diǎn)介紹模態(tài)模型的生成及使用方法。

2 柔性體的分析原理及建模方法

2.1 柔性體生成原理

模態(tài)法柔性體受到外力作用后，利用“模態(tài)疊加理論”［2］將各階次模態(tài)線性組合產(chǎn)生正確的變形。最終形變與各模態(tài)形變關(guān)系為

式中：u為實(shí)際節(jié)點(diǎn)位移；Φ為模態(tài)矩陣；q為模態(tài)參與因子；M為所生成的總模態(tài)階數(shù)。由式（1）可知，模態(tài)式柔性體僅適用于結(jié)構(gòu)的線性變形行為，不能用于非線性分析。

模態(tài)綜合法目前主要存在2種模態(tài)集的類型，分別是固定界面模態(tài)縮聚方法（craig-bampton，CB）和自由界面模態(tài)綜合方法（craig-chang，CC）。CB 法模態(tài)綜合時(shí)只考慮“位移對(duì)接”條件，使用固定界面子結(jié)構(gòu)方法［3］，假設(shè)子結(jié)構(gòu)交界面上的節(jié)點(diǎn)是完全固定的。此時(shí)的模態(tài)分為約束模態(tài)和正則模態(tài)，約束模態(tài)是靜力模態(tài)，沒有頻率，即用單位位移逐一施加于各個(gè)自由度，得到子結(jié)構(gòu)的靜力變形向量，生成柔性體的實(shí)際變形是由以上2種模態(tài)疊加而成。由于此次分析模型的外部連接點(diǎn)數(shù)量較多，因此采用CB法來生成柔性體。

2.2 有限元模型建立

前處理軟件采用Hypermesh。車架、副梁以及支架類薄壁件采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，車架及副梁?jiǎn)卧笮?0 mm，支架類薄壁件單元大小為5 mm；平衡懸架及其他鑄件類支架采用四面體單元?jiǎng)澐?，大小? mm；螺栓連接采用beam+rigid 單元；焊縫采用ACM 焊點(diǎn)單元；車架與副梁的接觸采用ACM粘膠單元。生成共3 631 887 個(gè)單元，1 158 340 個(gè)節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵部件單元屬性如表1所示。

表1 部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的主要材料屬性

由于生成柔性體所用到的模態(tài)疊加理論是線性分析方法，為了更好模擬車架和副梁之間的可分離接觸關(guān)系，ACM 粘膠單元采用類似枕木的材料單元來連接主副梁，連接方式如圖3 所示，通過調(diào)整實(shí)體單元的彈性模量和泊松比來達(dá)到相應(yīng)效果，在一定變形范圍內(nèi)能較好地表現(xiàn)出變形的獨(dú)立性和接觸力的傳遞性，詳細(xì)材料性能見表1。

圖3 主副梁之間的接觸模擬

2.3 模態(tài)中性文件及其模板文件的生成

用于生成模態(tài)中性文件（modal neutral file，MNF）的有限元模型柔性體外連接點(diǎn)主要包括集中質(zhì)量點(diǎn)和鉸節(jié)點(diǎn)，共計(jì)56 個(gè)，全部采用ASET 約束類型約束。為了防止節(jié)點(diǎn)號(hào)被占用，并且能夠方便識(shí)別每個(gè)系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編號(hào)，具體編號(hào)及位置如圖4所示。

圖4 HyperMesh有限元模型及其外接點(diǎn)ID

車架正則截?cái)嗄B(tài)取值15階，2種模態(tài)疊加后根據(jù)外接點(diǎn)個(gè)數(shù)和各外接點(diǎn)約束自由度個(gè)數(shù)，生成后的柔性體模態(tài)共336 階。生成的MNF 文件大小約15 GB以上，主要包括所有節(jié)點(diǎn)的動(dòng)畫數(shù)據(jù)。為減小計(jì)算資源，利用ADAMS MNF 優(yōu)化器，去除多余節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)，消除內(nèi)部實(shí)體節(jié)點(diǎn)、粗化網(wǎng)格、刪除共線節(jié)點(diǎn)，保留關(guān)鍵外接點(diǎn)。優(yōu)化后的MNF 文件大小在5 GB以內(nèi)，優(yōu)化后的模型對(duì)分析精度無影響。

建立車架及其固連部件模板時(shí)，導(dǎo)入生成的柔性體MNF 文件，在每個(gè)外部連接點(diǎn)處建立與之對(duì)應(yīng)的interface part，并與柔性體相應(yīng)外接點(diǎn)關(guān)聯(lián)。借助interface part，柔性體與其他部件或通訊部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副連接或襯套連接。各子系統(tǒng)調(diào)用模板通過通訊器連接完成整車裝配。

3 工況加載及仿真分析

3.1 分析應(yīng)力分布的方法及選用

目前分析應(yīng)力應(yīng)變的方法一般有2 種［4］：1）多體動(dòng)力分析并提取載荷后加載到有限元軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析；2）采用應(yīng)力恢復(fù)法，利用有限元軟件生成2個(gè)分別帶恢復(fù)信息（位移、速度、加速度及應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)信息）和模態(tài)信息的柔性體，帶模態(tài)信息的柔性體導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件中運(yùn)行相應(yīng)工況，計(jì)算后提取載荷，與帶恢復(fù)信息的柔性體同時(shí)導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行應(yīng)力恢復(fù)。文中采用方法2，雖然對(duì)計(jì)算機(jī)資源要求高，但能反映變形影響，為后期疲勞分析［5］及振動(dòng)特性分析［6］作數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3.2 工況加載方法

建立完整車剛?cè)狁詈夏Ｐ秃?，加載試驗(yàn)臺(tái)或整車路面。為了與其他分析方法形成對(duì)比，建立加載工況如表2所示。其中靜載工況1和垂跳工況2通過更改重力加速度值來實(shí)現(xiàn)；工況5 在-Z方向施加對(duì)應(yīng)的重力加速度，施加相應(yīng)制動(dòng)力矩；工況6～9 在整車試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行；工況10～11 在整車達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)彎工況瞬間施加相應(yīng)制動(dòng)力矩。提取對(duì)應(yīng)工況的柔性體外載荷。工況3～4 模擬重型卡車常用的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)彎工況，采用穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況模塊分析。轉(zhuǎn)彎半徑為15 m，輸出步長(zhǎng)為0.01 s，初始側(cè)向加速度為0.3 m·s?2，最終側(cè)向加速度為0.301 m·s?2，從初始加速度到最終加速度用時(shí)400 s，仿真過程如圖5所示。

表2 試驗(yàn)工況加載數(shù)據(jù)

圖5 左轉(zhuǎn)彎工況仿真運(yùn)動(dòng)圖

3.3 載荷提取及應(yīng)力恢復(fù)分析

在ADAMS 里提取相應(yīng)瞬時(shí)時(shí)刻或?qū)?yīng)穩(wěn)態(tài)工況的柔性體各節(jié)點(diǎn)外載荷，生成載荷加載文件，通過導(dǎo)入加載文件方式，自動(dòng)加載到有限元軟件中帶應(yīng)力應(yīng)變恢復(fù)信息的柔性體相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。加載模型如圖6 所示。分析結(jié)果在HyperView 中查看，工況1 對(duì)應(yīng)的車架及其固定連接部件的應(yīng)力結(jié)果云圖如圖7所示。

圖6 基于慣性釋放法的外載荷加載模型

圖7 工況1車架及其固連部件后處理云圖

4 分析結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖8 車架應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)（通道號(hào)）布置

圖9 有限元分析結(jié)果車架縱梁Z1面張量圖

考慮安全性以及可實(shí)施性，采用試驗(yàn)方法對(duì)標(biāo)工況3 和工況6 的應(yīng)力結(jié)果。使用DH5902N 堅(jiān)固型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在車架取20 個(gè)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片，采用單向片，測(cè)點(diǎn)均采用1/4橋連接，貼片位置及通道號(hào)見圖8，實(shí)際貼片方向參照?qǐng)D9，其中通道1～5、11、13、15、18、19 位于橫梁一端應(yīng)變較大位置，其他通道位于縱梁上。車輛通過零時(shí)搭建路面時(shí)，實(shí)時(shí)完成對(duì)所有應(yīng)變片位置處車架應(yīng)變測(cè)試。使用常規(guī)有限元分析方法［1］對(duì)車架進(jìn)行工況3 和工況6的強(qiáng)度分析，在原有有限元模型的基礎(chǔ)上增加集中質(zhì)量，用celas1彈簧單元模擬鋼板彈簧單方向的剛度，約束部分車輪自由度，在其他車輪上增加強(qiáng)制位移，同時(shí)施加各方向的加速度，提交計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)（表3），常規(guī)方法雖然趨勢(shì)與電測(cè)一致，但分析結(jié)果在低應(yīng)力區(qū)域接近，在高應(yīng)力區(qū)域相差很大。文中方法在普通工況下分析誤差小于10%，極限工況下誤差小于15%，仿真計(jì)算精度在高應(yīng)力區(qū)域得到有效提高。

表3 采用不同方法的車架本體應(yīng)力對(duì)標(biāo)結(jié)果

5 結(jié)論

文中運(yùn)用模態(tài)疊加原理，通過設(shè)置多個(gè)外接點(diǎn)，將車架及其固連構(gòu)建柔性化處理，減小了車架變形對(duì)車架本身及其他零部件載荷提取產(chǎn)生的影響；建立多體動(dòng)力學(xué)整車模型，對(duì)標(biāo)常規(guī)有限元算法，在虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)或路面加載基礎(chǔ)上進(jìn)行整車工況分析，更準(zhǔn)確地反映實(shí)際車輛在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的復(fù)雜受力情況。通過與電測(cè)數(shù)據(jù)及常規(guī)有限元分析方法比較，文中方法更能接近實(shí)際應(yīng)力情況。