朱訓(xùn)德，陳軍，李小軍

(福田汽車時(shí)代事業(yè)部，湖南長沙 410129)

某型工程車路面載荷譜虛擬仿真方法研究

朱訓(xùn)德，陳軍，李小軍

(福田汽車時(shí)代事業(yè)部，湖南長沙 410129)

建立了某型工程車的整車多體動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)路面譜的表達(dá)公式，獲得了路面譜的時(shí)域歷程曲線；將時(shí)間歷程曲線輸入整車多體模型中進(jìn)行計(jì)算仿真，成功地獲取了工程車路面載荷譜數(shù)據(jù)。此載荷譜真實(shí)可靠，表明此種路面載荷譜的虛擬仿真分析方法可行。

工程車；路面譜；虛擬仿真；載荷譜

0 引言

路面載荷譜是設(shè)計(jì)工程車時(shí)一項(xiàng)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，是車輛疲勞壽命計(jì)算、車輛NVH性能計(jì)算最為關(guān)鍵和核心的數(shù)據(jù)。但是目前工程車路面載荷譜大多是通過實(shí)驗(yàn)的手段獲得，不但耗時(shí)耗人力，而且費(fèi)用非常高，周期非常長。作者采用完全的計(jì)算機(jī)虛擬仿真手段，建立整車多體仿真模型，通過仿真獲取它在各級(jí)路面上各個(gè)行駛速度時(shí)的路面載荷譜數(shù)據(jù)，不但大大節(jié)約成本，降低費(fèi)用，而且可以根據(jù)需要為工程車的正向設(shè)計(jì)和后續(xù)的疲勞計(jì)算、NVH計(jì)算提供可靠的數(shù)據(jù)支持，并且使得汽車的開發(fā)周期大大縮短，可靠性大大提升。

1 整車多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)工程車模型的特點(diǎn)，建立的整車多體模型只需包含柔性體車架、貨物、輪胎、板簧以及激振試驗(yàn)臺(tái)便可計(jì)算出載荷譜數(shù)據(jù)，其他車輛部件全部去除，不影響路面載荷譜的計(jì)算和提取。

1.1 柔性體車架的建立

運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)車架及副車架的實(shí)體模型進(jìn)行有限元離散，在建模過程中用10 mm的cquad4單元對(duì)鈑金件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用10 mm的ctria3對(duì)鑄件進(jìn)行劃分，鉚接及螺栓連接用rbe2+beam的形式來模擬。在貨物及發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛室重心處、板簧連接處建立外聯(lián)點(diǎn)，建立的有限元模型如圖1和圖2所示。

圖1 車架及副車架的有限元模型

圖2 車架及副車架的柔性體模型

1.2 板簧模型的建立

圖3 板簧模型圖

鋼板彈簧是載貨汽車主要的彈性元件，對(duì)緩和路面沖擊、提高整車舒適性有重要的作用。文中鋼板彈簧的建模方式是采用離散beam梁法，對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行離散化，每一小塊視為一個(gè)剛體，塊與塊之間用beam梁連接，梁單元的截面參數(shù)根據(jù)實(shí)際板簧的尺寸計(jì)算得出，據(jù)此建立的鋼板彈簧模型如圖3所示。

1.3 車輛其他部件的建立

車輛輪胎采用 fiala輪胎模型，尺寸和物理參數(shù)按實(shí)際數(shù)值給定；車橋用直桿簡化，將實(shí)際質(zhì)量賦給簡化零件；貨物及駕駛室等按質(zhì)量點(diǎn)加載在其重心位置。各個(gè)部件之間根據(jù)實(shí)際連接形式進(jìn)行建模，建立的多體動(dòng)力學(xué)整車模型如圖4所示。

圖4 多體動(dòng)力學(xué)整車模型

2 路面譜的建立

路面位移功率譜密度函數(shù)Gq(n)可以表示為：

式中：n為空間頻率，表示每米長度包含n個(gè)波長；nu和nl分別表示路面譜的空間頻率上、下限；n0為參考空間頻率；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)，單位為m3；W為頻率指數(shù)，它決定路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。

當(dāng)車輛以一定的車速u駛過空間頻率為n的路面時(shí)，輸入的時(shí)間頻率f是n與u的乘積，即：f=u·n，由此可以得到時(shí)間頻率功率譜密度Gq(f)與空間頻率功率譜密度Gq(n)的關(guān)系為：

由上述公式得到的車輛在各個(gè)速度下的路面時(shí)間頻率功率譜密度曲線及路面隨時(shí)間的變化曲線分別如圖5—10所示。

圖5 車速36 km/h，B級(jí)路面，時(shí)間頻率功率譜密度曲線

圖6 車速36 km/h，B級(jí)路面，時(shí)域曲線

圖7 車速45 km/h，B級(jí)路面，時(shí)間頻率功率譜密度曲線

圖8 車速45 km/h，B路面，時(shí)域曲線

圖9 車速65 km/h，B級(jí)路面，時(shí)間頻率功率譜密度曲線

圖10 車速65 km/h，B級(jí)路面，時(shí)域曲線

3 載荷譜的虛擬仿真計(jì)算

文中以B級(jí)路面為例，在整車多體動(dòng)力學(xué)模型的激振試驗(yàn)臺(tái)中輸入路面時(shí)域曲線，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真。仿真得出該車的駕駛室質(zhì)心和貨物及貨箱質(zhì)心位置在36、45、65 km/h下的載荷譜，如圖11—16所示。

圖11 車速36 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖12 車速36 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

圖13 車速45 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖14 車速45 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

圖15 車速65 km/h，B路面，駕駛室載荷譜

圖16 車速65 km/h，B路面，貨物及貨箱載荷譜

4 結(jié)論

根據(jù)工程車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了工程車整車多體模型。根據(jù)路面譜的表示公式，通過數(shù)值模擬方法建立了工程車在B級(jí)路面以時(shí)速36、45和65 km/h行駛時(shí)的功率譜密度函數(shù)和時(shí)間歷程曲線。將此歷程曲線輸入建立的整車多體模型中，仿真獲取了車身、貨物及貨箱在各級(jí)路面以36、45和65 km/h行駛的載荷譜曲線。此載荷譜曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合，完全可

以應(yīng)用于工程車后續(xù)的疲勞計(jì)算和NVH計(jì)算中。這種方法是一種可靠和有效的某型工程車在各級(jí)道路和各級(jí)速度行駛的路面載荷譜的虛擬仿真分析方法。

【1】吳濤,段寧.探索路面不平度測量技術(shù)的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究,2013(17)：21.

Research on Virtual Simulation Method of Road Load Spectrum for a Certain Type of Engineering Vehicle

ZHU Xunde, CHEN Jun, LI Xiaojun

(Foton FORLAND Division, Changsha Hunan 410129,China)

The multi-body dynamics model of a certain type of truck was established. According to the expression formula of road surface spectrum, the time history curves of the road surface were obtained. The time history curves were input into the vehicle multi-body model and the simulation was carried out. The road load spectrum data of the truck were obtained successfully. The load spectrums are real and reliable. It shows that the method of virtual simulation analysis of the road load spectrum is feasible.

Truck; Road spectrum; Virtual simulation; Load spectrum

2016-12-06

朱訓(xùn)德,男，大學(xué)本科，研究方向?yàn)檎囋O(shè)計(jì)、制動(dòng)離合系統(tǒng)設(shè)計(jì)、變速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及海外法規(guī)認(rèn)證。E-mail:zxd1024@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.005

U495

A

1674-1986(2017)03-018-04