張永闊，呂永志，王 璽

多軸重型特種車耐久性虛擬試驗方法研究

張永闊，呂永志，王 璽

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

車輛耐久性是車輛產(chǎn)品主要性能指標之一，如何對車輛產(chǎn)品進行耐久性試驗驗證，并提升其耐久性，是當今車輛技術(shù)中的研究熱點?；趯崪y道路譜建立三維數(shù)字化虛擬跑車試驗場，以某多軸重型特種車為研究對象，建立整車剛?cè)狁詈蟿恿W模型，通過整車虛擬跑車試驗獲取零部件動態(tài)響應(yīng)，利用典型路況的動應(yīng)力數(shù)據(jù)，對三橋上橫臂進行疲勞壽命分析。研究結(jié)果表明，耐久性虛擬試驗方法可行。

特種車；車輛耐久性；虛擬試驗；道路譜

0 引 言

車輛耐久性是車輛產(chǎn)品主要性能指標之一，如何對車輛產(chǎn)品進行耐久性試驗驗證，并提升其耐久性，是當今車輛技術(shù)中的研究熱點。車輛耐久性試驗分為試驗場外場試驗、室內(nèi)道路模擬試驗和虛擬試驗等。其中外場試驗和道路模擬試驗均屬于實物試驗，需要在具備物理樣機的條件才能進行[1]。外場試驗常常由于司機、環(huán)境和試驗跑道導(dǎo)致結(jié)果離散性大；室內(nèi)道路模擬試驗與外場試驗均存在試驗周期長，試驗成本高等特點。采用虛擬試驗可以在產(chǎn)品設(shè)計階段建立虛擬樣機，針對產(chǎn)品投入使用后的各種工況進行仿真，分析薄弱環(huán)節(jié)，提前進行改進設(shè)計，可大大縮短產(chǎn)品研制周期，降低研制成本。

多軸重型特種車機動運輸為其主要使用剖面，往往需要經(jīng)歷嚴酷的振動與沖擊環(huán)境，易造成其關(guān)鍵部位或薄弱環(huán)節(jié)損傷失效。目前制約多軸重型特種車輛耐久性研究的主要問題有：實物試驗成本高、試驗信息少、試驗等效性不清、滯后于研制流程等。因此采用虛擬試驗方法研究多軸重型特種車關(guān)鍵部件的疲勞耐久性，對于加快研制進度、提高產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要意義。

本文首先基于試驗場道路實測位移譜，建立數(shù)字化虛擬跑車試驗場；以某多軸重型特種車為研究對象，對模型進行拓撲分析和模型簡化，建立整車剛?cè)狁詈蟿恿W模型；以某橋上橫臂為研究對象，采用虛擬試驗方法研究其在碎石路下疲勞壽命。耐久性虛擬試驗流程如圖1所示。

圖1 耐久性虛擬試驗流程

1 道路譜采集及三維路面重構(gòu)

1.1 道路譜數(shù)據(jù)采集與處理

道路譜采集系統(tǒng)以車為載體，由激光位移傳感器、加速度傳感器、距離與車速傳感器實現(xiàn)路形的測量，由姿態(tài)傳感器測量車輛姿態(tài)，以對路形計算進行補償，輔助以GPS和路面視頻子系統(tǒng)采集路面的輔助信息。激光位移傳感器、加速度傳感器和姿態(tài)位移傳感器統(tǒng)一安裝在車前的檢測橫梁中，GPS測量系統(tǒng)布置在車頂，視頻攝像機分別布置在車內(nèi)前部和后部，可以獲得對應(yīng)車前和車后的路面視頻[2]。道路譜采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，通過道路行駛得到所測路段的路面信息。

圖2 道路譜采集系統(tǒng)集成構(gòu)成

在測量時由于傳感器溫度變化引起零點漂移或道路本身存在一個很緩慢的坡度變化，在測試信號時間序列中會產(chǎn)生一個緩慢變化的趨勢誤差。趨勢項的存在，會使空間域中的相關(guān)分析或功率譜分析產(chǎn)生較大的誤差，甚至低頻段完全失真，如果將未去除趨勢項的信號直接用于汽車的各種性能試驗，將會直接影響試驗階的結(jié)果。另外由于測量設(shè)備、路面狀況（存在小縫隙）、天氣狀況及電子干擾等原因，測量得到的路面信號時常會出現(xiàn)不同于正常變化規(guī)律的奇異信號，這些異常數(shù)據(jù)的存在將嚴格影響信號的后續(xù)使用和分析。因此在構(gòu)建三維路面前需要對原始采集數(shù)據(jù)去趨勢項及剔除奇異信號。

因此本文采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法進行道路路面測量信號中的趨勢項去除。采用文獻[3]中修正3σ原則對采集數(shù)據(jù)中的奇異信號進行識別，可以有效識別完整的奇異信號，避免對個別真實信號的誤判；同時采用自適應(yīng)修正方法對奇異信號進行處理，使得修正后的數(shù)據(jù)能自適應(yīng)該段信號的整體趨勢及高頻信號特征，不影響整個路面譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性。某碎石路采集數(shù)據(jù)處理前后如圖3、圖4所示。

圖3 某碎石路段采集原始數(shù)據(jù)

圖4 某碎石路段處理后數(shù)據(jù)

1.2 三維虛擬路面構(gòu)建

三維虛擬路面比較常見的是RDF格式的3D等效容積路面，該路面模型是由一系列三角形的平面單元

組合成的一個三維表面。每個三角形需要3個節(jié)點組成，每個節(jié)點編號必須對應(yīng)節(jié)點的三維坐標；由這些節(jié)點按一定的規(guī)律組成路面單元，組成單元的節(jié)點必須是相鄰的3個節(jié)點，在路面單元后設(shè)置路面摩擦系數(shù)，這樣就能模擬真實的路面[4]。采用RDF格式時，需要定義大量的三角形節(jié)點信息及單元信息，在路面精度10 mm時，長1.5 km、寬4 m的路面文件約為2.4 Gbit，常規(guī)計算平臺無法加載這種路面。因此本文采用CRG格式路面，該路面是帶有路面中心線的規(guī)則柵格的路面文件。路面模型通過指定一條路徑中心線及各個規(guī)則柵格節(jié)點的高程來定義路面，各節(jié)點在路面縱橫向的間距以增量方式給出，避免定義大量節(jié)點信息及單元信息，從而可以靈活地對各種路面輪廓特征進行定義。長1.5 km、寬為4 m、精度10 mm的CRG格式路面文件大小約為70 Mbit，可滿足常規(guī)計算平臺使用?；趯崪y數(shù)據(jù)采用CRG格式構(gòu)建碎石路模型局部如圖5所示。

圖5 某碎石路局部示意

2 整車動力學模型構(gòu)建及動應(yīng)力求解

2.1 整車多體動力學模型的建立

常用車輛動力學仿真軟件有ADAMS、Simpack和Carsim等，本文選用MSC公司的ADAMS/View虛擬樣機平臺建立多軸重型特種車剛?cè)狁詈蟿恿W模型。

多軸重型特種車主要由六軸自行式底盤及上裝兩部分構(gòu)成。上裝設(shè)備艙安裝在底盤車架兩側(cè)支架上，重要負載通過耳軸與起豎托架相連。通過對整車結(jié)構(gòu)分析，在不改變載荷傳遞路徑的條件下，對模型作相應(yīng)簡化。底盤傳動系統(tǒng)以及其它結(jié)構(gòu)負載在ADAMS中考慮為集中質(zhì)量。底盤行駛系統(tǒng)主要由車架、懸架、車輪等組成，其中懸架采用上下雙橫臂結(jié)構(gòu)，油氣彈簧上支點布置在車架上，下支點與上橫臂固連，連接位置采用剛性銷軸。某橋一側(cè)懸架系統(tǒng)如圖6所示。油氣彈簧采用單側(cè)分組串通方式，載荷在組內(nèi)各車輪上實現(xiàn)平衡。

圖6 某橋懸架系統(tǒng)

輪胎是車輛模型中的重要組成部分，輪胎與路面的接觸問題以及輪胎模型如何簡化，國內(nèi)外學者一直在進行不斷地探索，目前較成熟的輪胎模型有FΙALA、DELFT、SMΙTHT和UATΙRE。ADAMS根據(jù)這些輪胎模型的理論基礎(chǔ)建立了相應(yīng)的輪胎仿真模型，為整車仿真模型帶來了方便。本文選用FΙALA輪胎模型。

橫臂作為懸架系統(tǒng)中的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，傳遞地面與車體之間各個方向的力和力矩。本文以橫臂為主要研究對象，為避免二次有限元分析，因此在有限元軟件中生成帶有應(yīng)力恢復(fù)的橫臂模態(tài)中性文件。上橫臂有限元模型如圖7所示。

圖7 上橫臂有限元模型

車架是底盤系統(tǒng)中最主要的承載結(jié)構(gòu)，承擔機動運輸、調(diào)平、起豎、彈射等工況下的總體載荷，對多軸重型特種車的剛度和安全性起著重要作用。長細比較大的承載結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮其柔性對虛擬試驗結(jié)果的影響，因此對車架建立柔性體模型，如圖8所示。

圖8 車架柔性體模型

為驗證所建車架模型精度，對車架進行自由模態(tài)試驗，自由邊界采用輪胎支撐，如圖9所示，激振方式為錘擊法。

圖9 試驗示意

取自由模態(tài)試驗前六階頻率與仿真結(jié)果對比，如圖10所示。

圖10 模態(tài)結(jié)果對比

由圖10可以看出，仿真結(jié)果與試驗值基本一致，產(chǎn)生誤差主要原因為支撐輪胎剛度較大。

整車全局坐標系定義為，坐標原點O在回轉(zhuǎn)支耳中心，x軸正向指向車頭，z軸正向垂直向上，y軸正向與Oxz平面成右手坐標系。各部件之間建立相應(yīng)連接關(guān)系。最終建立整車剛?cè)狁詈蟿恿W模型，如圖11所示。

圖11 整車剛?cè)狁詈蟿恿W模型

2.2 動應(yīng)力求解

ADAMS中柔性體的運動方程從下列拉格朗日方程導(dǎo)出[5]：

式中 Ψ為約束方程；λ為對應(yīng)于約束方程的拉氏乘子；ξ為廣義坐標；Q為投影到ξ上的廣義力；L為拉格朗日項，L=T?W，其中，T和W分別表示動能和勢能，Γ表示能量損耗函數(shù)。求得柔性體的T, W,Γ代入式（1），可解出ξ，進而得到模態(tài)坐標q。

3 整車耐久性虛擬試驗及應(yīng)用

3.1 整車虛擬試驗驗證

整車虛擬試驗設(shè)計主要以試驗?zāi)康?、試驗對象狀態(tài)、試驗內(nèi)容和載荷譜測試數(shù)據(jù)等為依據(jù)，同時虛擬試驗設(shè)計的內(nèi)容與方法應(yīng)該能夠指導(dǎo)開展實物試驗。因此本文進行整車虛擬試驗時，仿真速度設(shè)置參考前期跑車試驗大綱中規(guī)定的速度，速度設(shè)置為30 km/h，直接在驅(qū)動橋施加轉(zhuǎn)速，仿真時間為30 s。

采用碎石路工況下軸頭加速度信號進行對比。以三橋軸頭加速度為例，取前10 s內(nèi)三橋左側(cè)加速度信號測試值與仿真值對比如圖12、圖13所示，左右兩側(cè)加速度統(tǒng)計結(jié)果對比如表1所示。

圖12 軸頭垂向加速度測試值

圖13 軸頭垂向加速度仿真值

表1 加速度統(tǒng)計結(jié)果對比

仿真與試驗結(jié)果對比可知，加速度均方根值誤差均在5%之內(nèi)，說明了整車虛擬試驗的合理性與正確性。

3.2 零部件疲勞壽命分析

車輛零部件疲勞一般屬于高周疲勞研究范疇，通常用S-N曲線來描述部件的疲勞特性[6]。在無材料疲勞壽命曲線的情況下，常采用材料拉伸極限強度來進行估算，通常假定壽命N=103時有S103=0.9Su，Su表示材料拉伸極限強度，N=106時，S103=kSu，系數(shù)k反映不同載荷作用形式，對于上橫臂主要受彎曲載荷作用，k取0.5[7]。通過橫臂臺架試驗測得材料拉伸極限強度為431 MPa，以常用的冪函數(shù)式表達材料S與N間雙對數(shù)線性關(guān)系。擬合S-N曲線如圖14所示。

圖14 材料S-N曲線

在Ncode疲勞分析軟件中采用Von Mises應(yīng)力進行分析，平均應(yīng)力修正方法選擇Goodman算法。載荷輸入歷程30 s為一個循環(huán)。仿真結(jié)果得出三橋上橫臂對數(shù)壽命云圖如圖15所示。

圖15 對數(shù)壽命云圖

從圖15中可以看出，三橋上橫臂最小疲勞壽命為105.93次30 s載荷循環(huán)，折合歷程約為213 000 km。結(jié)合其它路況的虛擬試驗結(jié)果，可對橫臂多工況下的疲勞壽命進行分析和評估，為橫臂的設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文基于實測位移譜建立數(shù)字化虛擬跑車試驗場；以某多軸重型特種車為研究對象，建立整車剛?cè)狁詈蟿恿W模型；采用虛擬試驗流程對三橋上橫臂進行疲勞壽命分析。該研究提供了一種車輛耐久性虛擬試驗的研究分析方法，該方法中數(shù)字化虛擬試驗場可用于車輛平順性、操縱性等研究；整車虛擬試驗結(jié)果除用于零部件疲勞壽命分析外，還可用于整車動力學分析。后續(xù)可建立更加精細化整車模型，開展整車動力學分析和全方位疲勞壽命分析，在設(shè)計階段進行優(yōu)化和設(shè)計改進，縮短研制周期。

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Study on Virtual Durability Test Method of Multi-axis Heavy-duty Special Vehicle

Zhang Yong-kuo, Lyu Yong-zhi, Wang Xi
（Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076）

Ιn this paper, a 3D digital virtual vehicle test ground is constructed based on the measured road spectrums. Taking the multi-axis heavy-duty special vehicle as the research object, a rigid-flexible coupling dynamics model of the vehicle is set up. The component dynamic response is obtained through the whole vehicle-running virtual test. The fatigue life of the up control arm of the third axles is analyzed based on dynamic stress of the typical road conditions. The results show that the virtual durability test method is feasible.

Special vehicle; Vehicle durability; Virtual test; Road spectrum

U467

A

1004-7182(2017)04-0085-05

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170420

2017-01-17；

2017-06-28

張永闊（1993-），男，助理工程師，主要研究方向為車輛動力學仿真分析