姜 平，后世昌

Jiang Ping，Hou Shichang

（合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

車輛的疲勞耐久性研究逐漸成為各大整車企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的汽車耐久性評(píng)估方法是通過(guò)在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在車輛產(chǎn)品開發(fā)初期，通過(guò)CAE技術(shù)就可以驗(yàn)證車輛疲勞耐久性[2]。這種方法縮短了車輛開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

在疲勞耐久性研究中，載荷譜的提取至關(guān)重要。通常有 2種間接的方法，一種是選用輪心六分力直接獲取輪心處的載荷譜，然后通過(guò)ADAMS仿真的方法獲得其他位置的載荷譜，還有一種是運(yùn)用虛擬迭代的方法，虛擬迭代技術(shù)基于實(shí)車道路試驗(yàn)采集信號(hào)，通過(guò)建立多體動(dòng)力學(xué)模型迭代求解，可以得到各連接點(diǎn)的載荷[3-5]。

以某重型商用車轉(zhuǎn)向管柱及支架為研究對(duì)象，為了簡(jiǎn)化模型，減少傳遞路徑，建立車架、駕駛室、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)虛擬迭代的方法求得轉(zhuǎn)向管柱及支架分別與駕駛室、車架、轉(zhuǎn)向器連接處的載荷譜。

1 試驗(yàn)及處理

在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行典型路面加速度信號(hào)的采集，安裝5個(gè)加速度傳感器，5個(gè)傳感器的安裝位置分別位于轉(zhuǎn)向管柱上支架、轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、車架左前、左后側(cè)前懸架處。滿載時(shí)試驗(yàn)樣車在石塊路、砂石路、卵石路、魚鱗坑路、搓板路、比利時(shí)路（甲）、長(zhǎng)波路、短波路和高速環(huán)路進(jìn)行加速度信號(hào)的采集。將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、濾波、去尖峰值、轉(zhuǎn)換單位等一系列處理。處理好的比利時(shí)路（甲）中轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架Z向的加速度如圖1～3所示。

圖1 轉(zhuǎn)向管柱下支架Z向加速度信號(hào)

圖2 轉(zhuǎn)向器Z向加速度信號(hào)

圖3 轉(zhuǎn)向管柱上支架Z向加速度信號(hào)

2 多體建模

整車在行駛過(guò)程中，受到路面的激勵(lì)之后，車輪將該激勵(lì)先傳遞至轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架系統(tǒng)；一方面激勵(lì)從轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂，一直傳遞到轉(zhuǎn)向器，另一方面激勵(lì)從懸架系統(tǒng)傳遞到車架，再分別傳遞到轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱下支架和駕駛室；從轉(zhuǎn)向器傳遞到轉(zhuǎn)向管柱下傳動(dòng)軸的激勵(lì)，經(jīng)由轉(zhuǎn)向節(jié)和車架 2條路線傳遞過(guò)來(lái)；傳遞到轉(zhuǎn)向管柱上支架的激勵(lì)從車架傳遞到駕駛室，最后在駕駛室中通過(guò)防火墻和儀表盤橫梁傳遞過(guò)來(lái)。路面激勵(lì)對(duì)轉(zhuǎn)向管柱及支架的載荷傳遞路線如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向管柱及支架的載荷傳遞路線

多體動(dòng)力學(xué)模型除了轉(zhuǎn)向管柱及支架外，還要考慮駕駛室和車架。由虛擬迭代的相關(guān)理論可知，模型只需考慮連接處部件的影響。由于完整的駕駛室和車架有限元建模工程量巨大，且對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力要求高，因此需對(duì)駕駛室和車架做簡(jiǎn)化。最終建立的多體動(dòng)力學(xué)模型包含轉(zhuǎn)向管柱及支架的轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)、駕駛室和車架。

通常情況下普通構(gòu)件通過(guò)剛性體模擬，可以滿足要求。但是考慮轉(zhuǎn)向管柱支架、車架等的柔性變形及復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)分析結(jié)果的影響，需要使用柔性體來(lái)模擬，提高模型精確度。模型中對(duì)轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向管柱上支架、轉(zhuǎn)向管柱下支架、車架等做柔性處理。轉(zhuǎn)向管柱及車架系統(tǒng)由于主要受車架前半段的影響，而且車架整體模型過(guò)大，因此構(gòu)建車架柔性體時(shí)會(huì)保留前半段車架。轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向管柱上傳動(dòng)軸總成、滑動(dòng)軸總成、轉(zhuǎn)向管柱下傳動(dòng)軸總成和轉(zhuǎn)向器輸入軸等做剛性體。駕駛室采用有質(zhì)量的小球模擬。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中空氣彈簧參數(shù)、駕駛室懸置參數(shù)通過(guò)試驗(yàn)獲得。車架、駕駛室、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

3 虛擬迭代

3.1 虛擬迭代理論

虛擬迭代可以實(shí)現(xiàn)由傳遞函數(shù)和在時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)信號(hào)（速度、加速度等）反求出驅(qū)動(dòng)載荷（力或位移）[6]。虛擬迭代的方法通過(guò)模擬實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試對(duì)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)迭代的方法不斷調(diào)整模型中的參數(shù)以求出所需位置的載荷。這種方法可以代替結(jié)構(gòu)力測(cè)量或用于測(cè)量車輪載荷的傳感器，省去臺(tái)架試驗(yàn)，減少車輪和懸架等的建模（懸架彈簧、襯套等具有不確定因素）過(guò)程，減少載荷傳遞的前端路徑，減小誤差，節(jié)省成本，縮短分析時(shí)間，提高車輛開發(fā)的效率。

3.2 虛擬迭代判據(jù)

載荷譜的獲取是疲勞仿真分析中最重要的部分。通過(guò)噪聲信號(hào)激勵(lì)轉(zhuǎn)向管柱及支架、駕駛室和車架等剛?cè)狁詈隙囿w模型獲得傳遞函數(shù)，信號(hào)采集試驗(yàn)獲得的轉(zhuǎn)向管柱上支架、車架等 5處Z向加速度數(shù)據(jù)作為迭代目標(biāo)信號(hào)，在FEMFAT-Lab軟件中利用虛擬迭代的原理反求出車架前半段與前懸架左前Z向、右前Z向、左后Z向、右后Z向4個(gè)位置處的位移驅(qū)動(dòng)。

虛擬迭代的效果取決于系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)和系統(tǒng)反函數(shù)能否模擬載荷激勵(lì)。但是實(shí)際上這些載荷激勵(lì)很難獲取，所以驗(yàn)證虛擬迭代的效果主要是把迭代出來(lái)的響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較。通常會(huì)從相對(duì)誤差均方根、時(shí)間域和功率譜密度3個(gè)方面展開。系統(tǒng)響應(yīng)加速度信號(hào)和目標(biāo)加速度信號(hào)相對(duì)誤差均方根接近于 0，迭代收斂。時(shí)間域和功率譜密度趨勢(shì)和峰值一致，可以認(rèn)為迭代滿足要求。

以比利時(shí)路（甲）的加速度數(shù)據(jù)為例，評(píng)價(jià)虛擬迭代的結(jié)果。比利時(shí)路（甲）的加速度數(shù)據(jù)迭代5次后，5個(gè)通道加速度信號(hào)的相對(duì)誤差均方根如圖6所示。由圖6可知，迭代4次后，相對(duì)誤差均方根最接近0。轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架處Z向加速度信號(hào)與路測(cè)的目標(biāo)加速度信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ确謩e如圖7～9所示，實(shí)線為迭代4次后的Z向加速度信號(hào)，虛線為對(duì)應(yīng)目標(biāo)信號(hào)。從轉(zhuǎn)向管柱下支架、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向管柱上支架3個(gè)關(guān)鍵位置Z向的迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的曲線對(duì)比可知，曲線趨勢(shì)和峰值基本一致。車架與前懸架左前、右前、左后、右后 4個(gè)連接處位移譜如圖10～13所示。

圖6 迭代響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的相對(duì)誤差均方根曲線

圖7 轉(zhuǎn)向管柱下支架迭代4次后Z向加速度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D

圖8 轉(zhuǎn)向器迭代4次后Z向加速度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D

圖9 轉(zhuǎn)向管柱上支架迭代4次后Z向加速度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D

圖10 車架與前懸架左前連接處位移譜

圖11 車架與前懸架右前連接處位移譜

圖12 車架與前懸架左后連接處位移譜

圖13 車架與前懸架右后連接處位移譜

4 提取載荷譜

在ADAMS軟件中，將提取的4個(gè)位置位移作為實(shí)際位移驅(qū)動(dòng)，添加到車架、駕駛室、轉(zhuǎn)向管柱及支架等的多體動(dòng)力學(xué)模型中，并在ADAMS/View中運(yùn)行仿真。待仿真結(jié)束后，讀取轉(zhuǎn)向管柱及支架分別與駕駛室、車架及轉(zhuǎn)向器連接處的載荷譜。轉(zhuǎn)向管柱及支架與駕駛室，轉(zhuǎn)向管柱及支架與車架，轉(zhuǎn)向管柱及支架與轉(zhuǎn)向器連接處Z向的載荷譜如圖14～16所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）由于條件限制，在多體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)駕駛室簡(jiǎn)化為一個(gè)集中質(zhì)量的剛性小球。在實(shí)際情況中，駕駛室有一定的彈性變形，對(duì)轉(zhuǎn)向管柱上支架影響較大，需要進(jìn)一步的柔性體建模研究。

2）虛擬迭代的迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相比，幅值和趨勢(shì)基本一致，然而相對(duì)均方根值不理想，多體動(dòng)力學(xué)模型的完整性、準(zhǔn)確性等都會(huì)產(chǎn)生誤差。

3）在虛擬迭代中，準(zhǔn)確地提取車輛零部件的載荷譜，對(duì)后期疲勞分析至關(guān)重要。虛擬迭代建立的多體動(dòng)力學(xué)模型不用考慮懸架和車輪，不需要六分力儀，建模簡(jiǎn)單，試驗(yàn)成本低。

圖14 轉(zhuǎn)向管柱及支架與駕駛室連接處Z向載荷譜

圖15 轉(zhuǎn)向管柱及支架與車架連接處Z向載荷譜

圖16 轉(zhuǎn)向管柱及支架與轉(zhuǎn)向器連接處Z向載荷譜

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