馬良燦 紀(jì)浩 符琳 李小珊 覃寶海

摘 要：本文通過實(shí)測(cè)某雙叉臂后獨(dú)懸車在試驗(yàn)場(chǎng)隨機(jī)載荷譜，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯(lián)合仿真，迭代分解出雙叉臂下擺臂各連接點(diǎn)處的載荷譜，并通過時(shí)域、偽損傷等指標(biāo)對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行收斂性評(píng)價(jià)。同時(shí)用分解的載荷譜對(duì)下擺臂的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，下擺臂減振器支架的焊縫疲勞壽命為0.63，與實(shí)車表現(xiàn)誤差為11.3%，很好的預(yù)測(cè)了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：疲勞壽命 載荷譜 迭代分解 下擺臂

1 前言

雙叉臂獨(dú)立懸架因優(yōu)越的操控性和乘坐舒適性被許多車型開發(fā)使用[1，2]，但因懸架的特殊結(jié)構(gòu)形式，下擺臂的受載大，易出現(xiàn)疲勞開裂失效等問題[3]，汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞失效已是各大整車廠關(guān)注的重點(diǎn)。汽車結(jié)構(gòu)件疲勞耐久壽命評(píng)估的傳統(tǒng)方法是整車試驗(yàn)場(chǎng)道路耐久試驗(yàn)，該方法最直接且最有效的方法，但因試驗(yàn)周期長、需消耗大量的人力和經(jīng)費(fèi)，且若試驗(yàn)中出現(xiàn)疲勞失效問題，不易實(shí)施新方案的驗(yàn)證[4]。實(shí)測(cè)路譜載荷激勵(lì)結(jié)合CAE疲勞壽命仿真技術(shù)已成為汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的主要途徑[5]。藤瑞品[6]等提出一種采用二維隨機(jī)載荷的當(dāng)量載荷概率密度函數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分的疲勞壽命計(jì)算方法，研究了汽車彈簧疲勞耐久壽命的評(píng)估.Kim等[7]提出了一種計(jì)算車輛動(dòng)載荷的CAE仿真方法，使用剛?cè)峄旌夏Ｐ蛯?duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐久分析。獲取正確的邊界載荷已成為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零部件疲勞壽命的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

本文通過實(shí)測(cè)某雙叉臂后獨(dú)懸車在試驗(yàn)場(chǎng)各典型工況路面的隨機(jī)載荷譜，通過虛擬迭代的方法，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯(lián)合仿真，獲取雙叉臂下擺臂各連接點(diǎn)處的載荷譜，并通過時(shí)域、偽損傷等指標(biāo)對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，同時(shí)用分解的路譜載荷對(duì)下擺臂的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本文旨在為汽車懸掛零部件疲勞分析提供可行的虛擬數(shù)值仿真分析方法。

2 路譜的采集與處理

2.1 試驗(yàn)車路譜的采集

采用LMS SCADAS Mobile72通道數(shù)采、MSCLW12.8六分力傳感器、拉線位移傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變片等設(shè)備對(duì)某雙叉臂車型在某試驗(yàn)場(chǎng)的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，采集通道數(shù)據(jù)、采集信號(hào)類型及通道分配數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1所示。各傳感器的布置如圖1所示，其中彈簧、轉(zhuǎn)向拉桿的應(yīng)變需要做標(biāo)定試驗(yàn)。本次采集數(shù)據(jù)基于該雙叉臂車型在某試驗(yàn)場(chǎng)的耐久試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)場(chǎng)包括中等比利時(shí)路、凸塊路、搓板路、破損水泥路等10種典型路面，對(duì)各典型路面各采集3次，并確保采集數(shù)據(jù)包含所有通道的準(zhǔn)確信號(hào)。

2.2 路譜數(shù)據(jù)的處理

試驗(yàn)場(chǎng)共5條道，10種典型路面，采集完成的路譜數(shù)據(jù)見圖2。因不同的路面特征有著不同的強(qiáng)度等級(jí)和頻率特征，各個(gè)典型路面間也存在平整過渡路面，故需要對(duì)各典型路面進(jìn)行切割。同時(shí)各信號(hào)也要根據(jù)采集信號(hào)的具體頻譜進(jìn)行濾波、去除毛刺，處理漂移等信號(hào)處理。根據(jù)張覺慧[8]等對(duì)路譜樣本選擇方法的研究，本文采用Rossow抽樣原則對(duì)各信號(hào)的路譜數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行選擇，確定最終用來做迭代的原始測(cè)試信號(hào)。

3 路譜的迭代與分解

3.1 動(dòng)力學(xué)模型的搭建

動(dòng)力學(xué)模型與測(cè)試車輛的一致性是路譜迭代分解的結(jié)果保證的基礎(chǔ)，為了保證仿真模型與測(cè)試車輛的傳函一致需對(duì)實(shí)車進(jìn)行KC、質(zhì)心慣量、四輪定位等測(cè)量，對(duì)各彈性元件進(jìn)行剛度、阻尼的測(cè)量。根據(jù)該車型的底盤動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括硬點(diǎn)坐標(biāo)、橡膠襯套剛度阻尼、彈簧剛度、減振器阻尼、實(shí)測(cè)KC數(shù)據(jù)，底盤各零部件的重量、質(zhì)心、慣量等參數(shù)，搭建完成的整車動(dòng)力學(xué)模型見圖3所示。為保證模型精度，需注意：1）橡膠襯套的剛度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍達(dá)不到車輛惡劣工況的工作范圍，需對(duì)襯套剛度曲線做擬合延伸;2）仿真的KC數(shù)據(jù)要與實(shí)測(cè)的KC數(shù)據(jù)吻合;3）仿真模型的質(zhì)心、慣量等物理參數(shù)要和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合;4）彈簧的半載整車仿真載荷與實(shí)測(cè)載荷一致;5）仿真整車動(dòng)力學(xué)模型輪荷要與實(shí)測(cè)輪荷相一致。半載狀態(tài)下彈簧長度、輪荷的仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見表2所示。仿真KC與實(shí)測(cè)KC的對(duì)比見圖4所示。

3.2 虛擬迭代原理

基于輸入、輸出與穩(wěn)定頻響系統(tǒng)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的控制理論，通過反復(fù)的迭代逼近解決傳函矩陣線性而整車動(dòng)力學(xué)模型非線性的矛盾問題。整車動(dòng)力學(xué)模型傳函F（s）通過輸出信號(hào)y0（s）與輸入信號(hào)u0（s）的比值得出，F(xiàn)（s）=y0（s）/u0（s）。首次的輸入信號(hào)u1（s）通過傳函的逆矩陣乘期望信號(hào)等到，u1（s）=F-1（S）yd（s）。通過不斷的比較yd與yn，當(dāng)yd與yn差值滿足誤差要求時(shí)，認(rèn)為迭代收斂，un+1（s）=un（s）+F-1（S）（yd（s）-yn（s））。

3.3 迭代收斂性判據(jù)

通過對(duì)比評(píng)價(jià)仿真響應(yīng)與測(cè)量信號(hào)的吻合度來判斷路譜迭代的收斂性，期望信號(hào)與仿真信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ热鐖D5所示，分別展示了右前輪軸頭加速度、右后輪心Z向力的時(shí)域信號(hào)對(duì)比，鑒于篇幅限制不對(duì)其他信號(hào)對(duì)比做一一展示。圖6展示了輪心Z向力、軸頭Z向加速度、彈簧位移、前拉桿應(yīng)力、下擺臂應(yīng)力的相對(duì)偽損傷對(duì)比，各通道的對(duì)比值均在0.5～2的范圍內(nèi)，滿足迭代收斂判據(jù)的要求。

通過以上判據(jù)的對(duì)比研究，認(rèn)為迭代模型達(dá)到收斂的狀態(tài)。本文將分解出來的彈簧力與路譜測(cè)試的彈簧力再進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可看出，迭代分解出的彈簧力與試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值吻合度極高，更進(jìn)一步的驗(yàn)證了路譜動(dòng)載迭代的可靠性。

4 雙叉臂懸架下擺臂疲勞壽命分析

基于上一章節(jié)分解得到的下擺臂各接口的試驗(yàn)場(chǎng)隨機(jī)譜載荷，采用nCode對(duì)擺臂進(jìn)行疲勞壽命分析預(yù)測(cè)，最終分析結(jié)果如圖8所示。從分析結(jié)果看，下擺臂減振器支架的焊縫端頭損傷最大為1.59，該點(diǎn)處的疲勞壽命為0.63。該處焊縫實(shí)車的路試壽命為0.71，分析結(jié)果與實(shí)車表現(xiàn)誤差為11.3%，能很好的預(yù)測(cè)了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。

5 結(jié)論

本文通過實(shí)測(cè)某雙叉臂后獨(dú)懸車在試驗(yàn)場(chǎng)各典型工況路面的隨機(jī)載荷譜、加速度、拉線位移、應(yīng)變等信號(hào)，使用Femfat LAB 與 Adams Car聯(lián)合仿真，迭代出整車動(dòng)力學(xué)模型的邊界載荷，并通過時(shí)域、偽損傷等指標(biāo)對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行收斂性評(píng)價(jià)，再分解出雙叉臂下擺臂各連接點(diǎn)處的載荷譜，同時(shí)用分解的路譜載荷對(duì)下擺臂的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

下擺臂減振器支架的焊縫端頭損傷最大為1.59，該點(diǎn)處的疲勞壽命為0.63。該處焊縫實(shí)車的路試壽命為0.71，分析結(jié)果與實(shí)車表現(xiàn)誤差為11.3%，能很好的預(yù)測(cè)了雙叉臂懸架下擺臂的疲勞壽命。通過本為汽車懸掛零部件疲勞分析提供可行的虛擬數(shù)值仿真分析方法。

柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018AA20502）資助。

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