上海信聚信息技術有限公司 馬亮 袁志丹

新一代的H-VPG技術（虛擬試驗場混合模型，Hybrid-VirtualProvingGround），考慮計算量的原因首先將整車模型考慮為柔性梁結構，可精確反映實車系統(tǒng)的結構特點；然后用柔性梁結構的整車模型的仿真結果與實車試驗數據進行對標，當兩者的結果匹配后，再把柔性梁替換成柔性體結構，這樣就可以通過標定后的柔性體結構的整車模型直接獲得零件準確的應力結果，從而使仿真更為真實、全面與快捷。

一、引言

在現代機械工業(yè)中，有80%以上的結構強度破壞是由疲勞破壞所造成的。隨著機械產品運轉速度的提高，疲勞破壞更加普遍。車身是汽車的主要承載部件，尤其轎車、客車等承載式車身，是懸架、發(fā)動機和車身附件的安裝基礎，承受來自路面、發(fā)動機等的各種交變載荷，其疲勞強度性能對保證汽車產品的安全性和可靠性至關重要。近年來，車身耐久性CAE分析研究已經取得了較大進展。但是，如何高效、準確地提取整車中各個連接點的載荷仍然是其中的一個關鍵問題。

傳統(tǒng)的載荷提取方法首先需要通過實車的整車道路試驗，提取輪胎中心的載荷，再利用多體動力學分析，將輪胎中心的載荷分解，從而獲取各個連接安裝點的載荷。這種載荷提取方法時間周期較長，而且價格昂貴，同時還必須具備與新設計車相同平臺的實車模型。

鑒于理論分析法與試驗法的局限性，隨著計算機虛擬試驗技術、系統(tǒng)動力學等理論的發(fā)展，虛擬仿真法逐漸成為提高汽車生產效率、節(jié)省開發(fā)時間與成本的重要途徑。利用動力學相關的CAE軟件LSTC/LS-DYNA，通過在計算機上建立汽車的虛擬模型，并對其進行虛擬仿真，可以模擬各種響應特性。將仿真結果與實車試驗數據相比較，調整模型設計參數，并提出優(yōu)化與改進模型的合理建議。

虛擬仿真法能夠全面、準確地預測汽車的性能，及時對設計缺陷進行修改，大大縮短產品開發(fā)周期、提高設計效率與產品質量。對于傳統(tǒng)的汽車動力學軟件，在建模過程中，一般將整車模型視為剛體，并基于多剛體系統(tǒng)動力學理論開發(fā)的求解器進行計算分析，所建立的模型精度不高，仿真結果不能很好地反映實車工況。新一代的H-VPG技術（虛擬試驗場混合模型，Hybrid-Virtual Proving Ground）彌補了上述不足，考慮計算量的原因首先將整車模型考慮為柔性梁結構，詳細地描述汽車各部件及其連接關系，考慮了連接件的柔性及局部零件的柔性特點，可精確反映實車系統(tǒng)的結構特點；然后用柔性梁結構的整車模型的仿真結果與實車試驗數據進行對標，進行底盤調校當兩者的結果匹配后，再把柔性梁替換成柔性體結構，這樣就可以通過標定后的柔性體結構的整車模型直接獲得零件準確的應力結果，從而使仿真更為真實、全面與快捷。

二、傳統(tǒng)的車身連接點載荷提取方法

試驗研究方法是“設計—試制—測試—改進—再試制”的過程，通過進行實車試驗與評定，及時發(fā)現設計中存在的問題，查找車的結構參數的影響等。具體試驗方法可分為室外道路試驗、試驗場試驗、室內模擬試驗三種。盡管通過試驗法可直觀獲取試驗數據，但受客觀因素的影響，必須通過多次試驗才能使產品達到預期的性能要求，且試驗結果反饋速度慢、生產周期長、成本高。

1.道路載荷譜采集

道路載荷譜的采集一般在試車場典型/誤用/耐久工況路段(例如：坑洼路、沖擊路、振動路、鵝卵石路等)上進行，分別在車輛前輪和后輪輪心處安裝六分力傳感器和加速度傳感器，測量車輛在各種路面行駛時輪心3個方向承受的力(Fx、Fy、Fz)、力矩(Mx、My、Mz)或轉向節(jié)軸頭的加速度（Ax、Ay、Az）數據等。

2.通過多體模型的模擬與試驗測試數據對比

由于在實車的路面載荷譜采集的時候，無法同時獲取各個車身連接點的載荷，因此需要通過其他方法來獲取這些車身連接點的載荷譜。目前通用的方法是通過創(chuàng)建多體模型來提取。為了完成這項工作，首先需要驗證所創(chuàng)建的多體模型的可靠性，即將模擬分析所獲取的輪胎中心的六向載荷或者加速度與試驗測試的結果數據進行對比，如果對比結果比較好，則認為該多體模型可以用于各個車身連接點的載荷提取。

3.車身各個連接點的載荷提取

經過試驗驗證以后，所創(chuàng)建的多體模型即可用于車身各個連接點的載荷提取。這些車身連接點位置包括減震器位置、副車架位置、穩(wěn)定桿位置等。

三、H-VPG模型的建立

基于H-VPG技術建立虛擬仿真有限元動力學模型，建立了剛柔混合模型的懸架和車身。進行部件連接、約束時，考慮部件的剛體與柔體特性，合理完成整車裝配。

1.輪胎的建模

根據實車的實際輪胎尺寸創(chuàng)建輪胎有限元網格模型。創(chuàng)建過程中，需輸入輪胎的尺寸、胎壓以及質量。圖1為輪胎有限元模型。

圖1 輪胎有限元模型及結構示意圖

輪胎在H-VPG技術中具有非常重要的作用，輪胎的精度高低，將直接影響連接點載荷的精度。所以，在將輪胎裝配到整車模型之前，需要標定輪胎的剛度：徑向剛度、側向剛度及轉向剛度等。

圖2為調校后的某一型號輪胎的垂向剛度與側向剛度的結果，可見仿真值與實驗值誤差小于15%。

圖2 輪胎剛度標定示意圖及標定結果

2.底盤的建模

考慮到后期對標工作的計算量以及對虛擬模型要求的精度，可以將底盤的結構件考慮為柔性梁，對其賦予每個底盤結構件的實際質量和慣量。

底盤結構件用橡膠襯套進行連接，即LSTC/LSDYNA中的*ELEMENT_BEAM（ELFORM=6）來定義，前后底盤的有限元網格模型如圖3所示。

圖3 前后懸掛的柔性梁有限元模型

3.整車H-VPG模型搭建

車身創(chuàng)建完成后，將其與底盤和輪胎的有限元模型裝配在一起，生成整車級別的H-VPG有限元模型。圖4為整車H-VPG模型，其車身使用剛性單元模擬；底盤模型使用柔性梁的方式建模。

圖4 整車H-VPG有限元模型

4.路面的建模

根據實車在路面路試的信息，通過建立節(jié)點和單元的形式來建立多種典型路面作為輸入，在LSTC/LS-DYNA的模擬分析中將其定義為剛性材料，并建立輪胎與路面間的接觸關系。

四、H-VPG模型在典型路面下的有效性驗證

在初始試驗條件下，采用H-VPG模型進行仿真。并在相同情況下，通過H-VPG模型與試驗數據的對比，進一步驗證H-VPG整車仿真模型的可靠性。對于典型路面，直接在時域內比較幅值與相位，進行H-VPG整車仿真模型的時域對標。

1.H-VPG軟件的理論基礎

H-VPG（Hybrid-Virtual Proving Ground）技術，是通過構制統(tǒng)一平臺，簡化建模過程，引入虛擬試驗場，從而只需建立一個整車模型，就能夠在汽車真實試驗條件下，進行整車非線性虛擬樣機仿真，達到動態(tài)參數設計的目的?？蓪崿F在汽車設計前期即可得到樣車道路試驗結果的整車性能預測效果的仿真技術，包括：NVH、疲勞壽命、道路載荷預測、整車、子系統(tǒng)和部件的動力學和運動學分析。

H-VPG技術以多體系統(tǒng)動力學理論為基礎，通過求解動力學方程來進行模型仿真分析。在建模時，要對懸架等部件進行柔化處理。在有限元分析中，分析對象劃分的網格節(jié)點是相對于對象本身的某一慣性坐標。為了描述方便，一般將慣性坐標固定連在物體的一端，并將坐標的一個軸線與物體的軸線重合。將有限元分析的柔體加入多體系統(tǒng)中，需將柔體作相對的位移，即需將柔體分析的有限元方程乘以轉換矩陣，從而實現由局部坐標向整個模型的慣性坐標的轉換。

采用Lagrange方法建立的多體系統(tǒng)動力學，當代入其各項因子后，其簡化形式的有限元方程如公式（1）所示：

然而有限元模型的通用結構分析方程，一般是在有限元分析對象的局部坐標系下建立的，方程中的變量是相對于局部坐標的坐標元素。為了實現有限元分析方程與多體系統(tǒng)動力學分析方程的統(tǒng)一，可以通過多體理論中坐標轉換矩陣B，實現有限元分析方程向多體系統(tǒng)動力學的轉換。

對于公式（1），其慣性坐標下的剛度、阻尼、質量矩陣是由局部坐標系的響應矩陣乘以局部坐標向慣性坐標的轉換矩陣得到的，那么該方程可以表示為：

同時公式（2）中等號右邊也可以表示為位移、速度、加速度的函數：

當單元的位移不大時，采用慣性坐標描述方程應是簡單可行的方法，因為轉換矩陣不需要更新。但當單元位移較大時，轉換矩陣必須更新，從而使得局部坐標向慣性坐標系轉換的相關矩陣也必須更新，如此系統(tǒng)的求解效率就明顯降低。

在LSTC/LS-DYNA軟件中，所有的剛性體與柔性體都使用一個浮動局部坐標，當剛性體或柔性體運動時，對于系統(tǒng)求解的每一步，從局部坐標向慣性坐標系轉換的相關矩陣都要更新，而慣性坐標系下的矩陣不需要更新，這樣可提高系統(tǒng)的求解效率。此外，柔性體的變形應力在材料的線性變化范圍內，其總位移可通過在局部坐標系中的相鄰的單元變形疊加得到。而多體系統(tǒng)的求解是在多體模型的基礎上，先求得柔性體與多體系統(tǒng)的作用點的力、速度、加速度等邊界條件后，求出柔性體的變形、力與力矩，再與多剛體模型的結果對比，如果誤差較大，以柔性體的變形、力或力矩為己知條件再做求解，直至誤差滿足要求。

總之，有限元分析與多體動力學仿真擁有相同的系統(tǒng)動力學求解基礎。有限元分析使用慣性坐標系下的慣性矩陣能更好地適應小位移分析的需要，而LSTC/LS-DYNA?軟件使用局部坐標系下的局部單元矩陣，能及時有效地描述系統(tǒng)內不同構件的位置關系。

2.軸頭加速度仿真計算結果與實車試驗的對比

為了通過CAE的方法獲取可靠的各個車身連接點的載荷，首先需要監(jiān)測軸頭加速度的計算值與試驗值。

圖5為Chuck Hole右2坑左后輪軸頭加速度仿真與試驗數據對比結果，圖6為Impact路左后輪軸頭加速度仿真與試驗數據對比結果。紅色為試驗結果，綠色為H-VPG模型。

圖5 左后輪軸頭加速度仿真與試驗數據對比結果（Chuck Hole右2坑）

圖6 左后輪軸頭加速度仿真與試驗數據對比結果（Impact路）

通過上述左后輪軸頭加速度對比曲線可以看出，X、Y、Z三個方向的加速度的H-VPG模型值與試驗的測試值基本吻合。

3.軸頭力仿真計算結果與實車試驗的對比

為了保證CAE的方法獲取載荷的可靠性，需要對軸頭力的計算值與試驗值進行對標以驗證H-VPG模型的有效性。

圖7為Chuck Hole右2坑左后輪軸頭力仿真與試驗數據對標結果，圖8為Impact路左后輪軸頭力仿真與試驗數據對標結果。紅色為試驗結果；綠色為H-VPG模型。

圖7 左后輪軸頭力仿真與試驗數據對標結果（Chuck Hole右2坑）

（FY的影響最小，不是主要因素，可不計）

圖8 左后輪軸頭力仿真與試驗數據對標結果（Impact路）

（FX的影響最小，不是主要因素，可不計）

通過上述左后輪軸頭力對標結果曲線可以看出，X、Y、Z三個方向的軸頭力的H-VPG模型值與試驗的測試值吻合度較高。

4.車身連接點的載荷提取仿真計算結果與實車試驗的對比

在保證輪胎中心的三個方向載荷的CAE仿真結果與實車的測試結果基本一致的基礎上，對比車身連接點的載荷的計算值與試驗值。

圖9為左前輪減震器彈簧上端車身連接點載荷對比。紅色為Admas結果，綠色-H-VPG模型。

圖9 左前輪減震器彈簧上端車身連接點載荷對比（Impact路）

圖10為后懸左側前束控制臂內襯套連接點載荷對比。紅色為Admas結果，綠色-H-VPG模型。

圖10 后懸左側前束控制臂內襯套連接點載荷對比（Impact路）

通過上述襯套連接點載荷對比曲線可以看出，H-VPG模型值在X、Y、Z三個方向的載荷的與Admas的計算結果具有一致性。

五、H-VPG模型在耐久路面下的PSD及RMS有效性驗證

在初始試驗條件下，采用H-VPG模型進行仿真。并在相同情況下，通過H-VPG模型與試驗數據的對比，進一步驗證整車仿真模型的可靠性。

對于耐久路面（振動路），由于實際數采輪軌跡線的隨機性，則通過對比功率譜密度的方法進行載荷的比對，進行H-VPG模型的PSD頻譜與RMS對標。

1.振動路的彎曲前行耐久路面仿真

H-VPG模型車在隨機分布的振動路上行駛，振動路路面與整車模型如圖11所示。

圖11 振動路路面與整車模型

左后輪軸頭力仿真結果與試驗數據對比，如圖12（a）～（c）所示。紅色為試驗結果，藍色為H-VPG模型。

圖12 左后輪軸頭力仿真結果與試驗數據對比

左后輪軸頭力PSD仿真結果與試驗數據對比，如圖13（a）～（c）所示。紅色為試驗結果，藍色為H-VPG模型。

圖13 左后輪軸頭力PSD仿真與試驗數據對比

由對比可知：時域上對比試驗與仿真的結果，軸頭力的分布規(guī)律與大小幅值基本一致。頻域上對比試驗和仿真的軸頭力PSD譜可知，試驗和仿真軸頭力PSD吻合的較好。

六、H-VPG模型的動應力仿真及試驗現象模擬

基于H-VPG技術所建立的分析對像是整車系統(tǒng)，這就避免了傳統(tǒng)CAE分析中，部件間受力關系難以確定的困難。由于邊界條件是路面模型作為輸入，分析中幾乎排除了傳統(tǒng)CAE分析常使用的人為假定。在系統(tǒng)運動學和動力學分析中，車身懸掛的彈性和變形影響可真實計入計算分析中，從而提高了分析精度。

前面柔性梁的H-VPG模型已經和試驗進行了對標，驗證了柔性梁的H-VPG模型的準確性，然后通過零件替換的方式把柔性梁的H-VPG模型中關注零件的柔性梁替換成柔性體，這樣即可獲取真實路譜下的真實應力應變響應，獲得的動態(tài)應力值，可以考慮材料和幾何非線性及阻尼的影響，在計算中包含了結構非線性、車身支撐發(fā)動機支撐等橡膠連接件的非線性因素、懸掛轉向系統(tǒng)連接和緩沖件的非線性因素、車輪輪胎的非線性因素、輪胎和地面接觸條件等等。

進行轉向節(jié)柔性體替換后的H-VPG模型在典型工況下的后懸轉向節(jié)的動應力云圖如圖14所示。

圖14 后懸轉向節(jié)的動應力云圖（Chuck Hole右2坑）

進行后懸下控制臂柔性體替換后的H-VPG模型在耐久工況下的后懸下控制臂的動應力云圖如圖15所示。

圖15 縱臂動應力云圖（振動路3）

H-VPG整車模型在進行柔性體的替換后，在定義的路面模型上運動中，可以計算出車身上或底盤上任何一個部位的應力隨時間變化的響應以及在運動過程中力從路面?zhèn)鬟f到車身上的傳遞途徑，可以判斷最易發(fā)生破壞的位置以及診斷其原因。

七、結語

本文通過在LS-DYNA中用虛擬樣車在虛擬道路模型上進行H-VPG行駛試驗，通過軸頭力的仿真計算結果與實車試驗的對比以及車身連接點的載荷提取仿真計算結果與實車試驗的對比來驗證模型的有效性，應用結果可以得出如下結論。

整車的有限元模型與實車的狀況很接近，且通過模擬獲取的結果與傳統(tǒng)的方法獲取的結果吻合較好，該方法可作為汽車設計和測試過程中的有效試驗手段。

本文提出的利用LS-DYNA求解直接獲取車身各個連接點的載荷的方法，適用于整車設計開發(fā)階段，利用所獲取的車身各個連接點的載荷進行強度分析和疲勞分析。

H-VPG（虛擬試驗場混合模型）技術在汽車設計的任何階段都可發(fā)揮作用，尤其在概念設計階段，因為沒有真實的樣機來獲得應力應變響應和道路載荷值，H-VPG獨特的整車分析方法可發(fā)揮強大的作用。

在建立任何樣機前，應用H-VPG技術可在各種路面條件下進行有限元動力學仿真，解決設計上的潛在問題。

獲得的應力是由實時的路面載荷產生的真實應力，而不是線性靜態(tài)應力，施加到結構上的力是該設計車型結構所導致的力，而不是從以前相似設計中獲得的力。