（机械工程专业论文）基于虚拟试验场的某商用车驱动桥疲劳分析.pdf

基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 摘要 随着汽车市场竞争的日益激烈，如今各大汽车企业都越来越重视产品的疲劳 寿命问题，通过实车路试的方式虽然是最直接且最准确的，但试验的过程却十分 的冗长且耗资巨大。驱动桥壳在使用过程中经常出现开裂、断裂等疲劳问题，利 用虚拟试验场技术在设计阶段实现对目标零部件疲劳寿命的预测，可以降低设计 风险，缩短开发周期，具有很高的工程应用价值。 本文充分考虑整车系统中的各种非线性因素，完成了整车耐久性虚拟试验模 型的建立，并根据海南汽车试验场的耐久性试验规范，确定了本文所研究车型进 行虚拟路试所需的耐久性强化路面。在耐久性虚拟试验场的环境下，通过对整车 系统的动态响应分析，得到了整车结构的动态应力时间历程，并以此为基础，利 用雨流计数法和应变疲劳理论，计算出某商务车后悬架的综合疲劳寿命，通过显式 积分的方法求得轮心位置三个坐标轴方向的载荷谱。 以驱动桥壳为例，以虚拟路试获取的路面载荷谱为驱动，利用a b a q u s 对驱 动桥壳进行模态分析，获取其结构的动态特性，再计算出驱动桥壳单位载荷作用 下的应力应变历程，采用准静态法求解驱动桥壳的动态应力响应，分别基于全寿 命法和应变寿命法进一步对驱动桥壳的疲劳寿命进行预测，最后对比试验数据和 仿真结果，验证了基于虚拟试验场进行疲劳寿命分析的可行性和有效性，讨论了 疲劳薄弱位置发生破坏的原因，并提出了改进措施。 关键词：虚拟试验场；驱动桥；动态响应；载荷谱；疲劳寿命预测 i i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n g l yf i e r c em a r k e tc om p e t i t i o n ，n o w a d a y s ，m a n yb i g c a r c o m p i a n i e sh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o n t of a t i g u el i f ep r o b l e mo fp r o d u c t s ，t h o u g h t h r o u g ht h er e a lc a rr o a dt e s ti st h em o s td i r e c ta n da c c u r a t ew a y ，b u tt h ep r o c e s so f t e s ti sl o n ga n de x p e n s i v e d r i v i n ga x l es h e l lw h i c ha r ei nu s eo f t e na p p e a rf a t i g u e p r o b l e m sl i k ec r a z e ，f a u l t ，t h ev i r t u a lp r o v i n gg r o u n dt e c h n o l o g yi su s e di nt h ed e s i g n s e g e m e n tt or e a l i z et a r g e tp a r t so ff a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ，w h i c hc a nr e d u c e t h er i s ko f d e s i g na n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，h a sah i g hv a l u eo fa p p l i c a t i o n t h ev e h i c l ed u r a b i l i t yt e s tm o d e lo fv i r t u a li sc o m p l e t e db yf u l l yc o n s i d e rt h e v a r i o u sn o n l i n e a rf a c t o r si nv e h i c l es y s t e mi nt h ep a p e r b ya c c o r d i n gt o h a i n a n d u r a b i l i t vr o a dt e s ts p e c i f i c a t i o n ，t h i ss t u d yc o n f i r m e dt h et y p eo ft h ed u r a b i l i t y s t r e n g t h e nr o a dw h i c hi sr e q u i r e d b a s e do n t h ev i r t u a ld u r a b i l i t yt e s te n v i r o n m e n t ，t h e t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sw a sc a r r i e do u tt oa b t a i nt h ed y n a m i cs t r e s st i m eh i s t o r yo f t h ev e h i c l es t r u c t u r e w i t ht h er a i n f l o wc o u n t i n gm e t h o da n ds t r a i nf a t i g u et h e o r y ， c a l c u l a t e dt h ei n t e g r a t e df a t i g u e l i f eo ft h er e a r s u s p e n s i o n o fac o m m e r c i a l v e h i c l e t h el o a ds p e c t r u mo ft h r e ec o o r d i n a t ed i r e c t i o nw a se x t r a c t e dt h r o u g ht h e e x p l i c i ti n t e g r a lo p e r a t o r t h i sp a p e rm a d ed r i v i n ga x l eh o u s i n ga sa ne x a m p l e ，d r i v e db yt h er o a ds u r f a c e l o a ds p e c t r u mw h i c hi sg e tf r o mv i r t u a lr o a dt e s t ，t h eu n i tl o a ds t r e s sa n ds t r a i n i s c a l c u l a t e db yu s i n ga b a q u s ，a n dt h es t a n d a r ds t a t i cm e t h o di sc a r r i e do u tt os o l v e t h ed y n a m i cs t r e s sr e s p o n s eo ft h ed r i v ea x l e ，t h ef a t i g u el i f eo ft h e d r i v ea x l eh o u s i n g i sp e r f o r m e db yu s i n gt h et o t a ll i f ea n ds t r e s s - l i f em e t h o d b yc o n t r a s t i n gt h e t e s td a t a a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，f a t i g u e l i f ea n a l y s i sb a s e do nv i r t u a lp r o v i n gg r o u n d t e e h n o l o g yi sp r o v e db ef e a s i b l ea n dv a l u a b l e ，t h er e a s o n so ff a t i g u ew e a k l o c a t i o n s d e s t r u c t i o ni sd i s c u s s e d ，a n dt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e si sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ；d r i v i n ga x l e ；d y n a m i cr e s p o n s e ；l o a ds p e c t r u m ； f a t i g u el i f ef o r e c a s t i 第1 章绪论 1 1 论文的背景和意义 随着汽车工业的发展，如今各大整车厂都越来越关注产品的疲劳耐久性能， 研究人员对每款新开发的车型都必须进行疲劳性能的分析。在过去，工程师对于 疲劳寿命评估均利用实车路试的方式进行，该方法虽然是最直接且最准确的，但 试验的过程却十分的冗长，不仅耗费巨大的人力及经费，还难以快速找到问题的 根源【l 】。国内的汽车公司都是通过公共道路试验或试车场试验考察汽车产品的耐 久性，由于硬件条件的约束，国外比较先进的室内台架试验也缺乏系统的工程实 际应用。随着c a e 技术的不断发展，国际上的各大汽车企业开始广泛利用虚拟试 验的方法来考察汽车的疲劳性能。在车辆的设计初期，目前虚拟试验通常的做法 是利用刚体模拟汽车的悬架等结构，基于汽车的多刚体模型，通过多体动力学分 析获得整车系统中的各部件由路谱激励产生的载荷谱，再以此为基础，结合对目 标零部件的有限元静力分析，利用瞬态响应分析理论和相应的疲劳理论，分析零 部件的疲劳耐久性【2 ，3 】。但是汽车行驶中所承受的载荷是随时间变化而变化的随机 载荷，并且汽车本身就是一个由极多零部件及总成构成的复杂系统，相邻零部件 之间的力以及变形的关系复杂，如果将其结构简单地予以刚体化而不考虑结构的 变形及弹性元件的刚度等非线性因素，将使得在对结构件进行有限元分析时的边 界条件出现误差【4 j 。因此，如何在产品设计阶段实现对汽车的工作条件的准确模 拟成为降低产品研发成本和提高企业竞争力的关键。 在这样的背景下，美国的e t a 公司联合a n s y s 公司和l s t c 公司开发出了 整车仿真软件v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) ，软件集成了汽车各总成( 悬架、 轮胎等) 模型数据库，可以便捷地建立系统级整车有限元模型，大大地缩短了建 模时间。虚拟试验场的概念实际上是利用计算机模拟汽车的实际试验环境，来进 行整车非线性动力学试验仿真。这种技术在国外的应用已经比较广泛，a r v i n m e r i t o r 公司基于虚拟试验场技术对某载货汽车的可靠性试验进行了仿真，得到了 底盘的疲劳寿命结果，并通过实际试验验证了这种方法的有效性【5 l ；g m 公司以 耐久性虚拟试验道路的路面冲击激励为输入，进行了整车虚拟台架试验，对零部 件的疲劳寿命进行了预测【6 】，k i a 公司在虚拟试验场环境中对某乘用车进行动力 学仿真，试验结果表明利用虚拟试验场分析汽车的动力学性能效果较好1 7 j 。利用 虚拟试验场技术能够预测结构的疲劳薄弱位置，还能够直观地对比设计方案的不 同对疲劳耐久性能的影响。利用虚拟试验场技术，在新产品的设计阶段或现有产 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 品的改型阶段即可进行疲劳寿命分析，降低开发风险，缩短研发周期。国内虽然 已经引进了这种技术，但应用并不广泛。 汽车作为一种交通工具，必须具有高度的可靠性及安全性【引，而作为底盘最 重要的承载部件和主要的传力件，驱动桥壳在使用过程中长期承受不同程度不同 工况的循环随机载荷，使其极易产生微观的裂纹并进一步扩展导致失效【9 】。有资 料显示，整车故障中绝大多数是发生在驱动桥上，其疲劳耐久性能对整车的各项 性能和疲劳寿命影响很大，因此驱动桥壳必须具备足够的强度、刚度、动态特性 和耐久性，但国内商用车驱动桥壳设计普遍趋向于经济性，对可靠性和使用寿命 要求不高【1 0 】。本文就是基于上述背景，以v p g 软件为平台，通过建立系统级的 汽车动力学有限元模型，模拟整车耐久性虚拟试验，得到车体较可能发生疲劳寿 命的位置，再结合虚拟试验过程中得到的轮心载荷以及单独建立的驱动桥壳的更 为精细的有限元模型，考虑平均应力的影响，修正材料表面状况，计算出比较可 靠的疲劳寿命值。这样不仅对底盘结构的后续设计有着重要的指导作用，更是缩 短整车开发周期、提高产品质量、降低开发成本的有力措施。 1 2 国内外疲劳寿命分析研究现状 疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，据统计，大约有8 0 的机 械的断裂事故是由疲劳失效造成的，因此，疲劳分析对于开发承受交变应力的机 械产品，具有非常重大的意义i l 。 在汽车结构的疲劳耐久性能研究方面，国外起步较早。世界上最权威的汽车 研究机构美国汽车工程师协会于2 0 世纪6 0 年代出版的零件疲劳设计手册 至今仍是工程师设计汽车零部件以及疲劳试验的主要参考之一。“疲劳试验之 父”w o e h l e r 提出的s n 曲线，由于原理简单明了，在疲劳分析领域的应用十分广 泛，并且影响重大【1 2 】。日本的m a t s u i s h i 和e n d o 提出的雨流计数法是目前最为常 用的疲劳计数法【1 3 】。美国、德国、日本等传统机械强国在对机械产品的疲劳分析 方面投入巨大，通过对汽车、飞机等机械的总成及零部件进行大量的试验，积累 了丰富的疲劳载荷谱数据【1 4 , 1 5 】。时至今日，发展比较成熟的汽车的可靠性试验包 括实际道路试验、试车场试验和实验室台架试验三种。实际道路试验和试车场试 验在汽车可靠性试验的发展历程中，始终发挥着极其重要的作用，而实验室台架 试验方法的出现更是具有划时代的意义。上个世纪6 0 年代，w i l l i a nj s i d e l k o 利 用液压伺服作动器驱动车架疲劳试验，大大推动了汽车疲劳试验的发展历程【l 6 。 s t y l e s 和d o d d s 于1 9 7 5 年对路面模拟试验的相关理论进行了发展，将快速傅里叶 变换应用到了道路模拟领域【l7 1 。同一时期，美国的m t s 公司以及德国的s c h e n c k 公司分别研发出了自己的道路模拟系统 1 9 , 1 9 ，能够准确模拟外场试验载荷历程，评 估汽车结构在室外的平均寿命。 2 硕士学位论文 随着汽车行业的进步，传统的疲劳试验的局限性和c a e 技术的发展都推动了 疲劳寿命分析的发展和应用，因此全球各大汽车公司普遍选择利用c a e 的方法对 汽车零部件进行数字化寿命预测。 美国福特汽车公司早在上个世纪7 0 年代【2 0 j 就开始利用n a s t r a n 软件对车 身结构进行静态分析。在这之后，福特公司不断尝试并发展利用多轴疲劳分析方 法对汽车车身进行疲劳分析，在疲劳寿命优化设计领域取得了巨大的成就。 英国n c o d e 公司在疲劳研究方面的技术始终走在世界前列【2 1 1 ，开发出了能够 进行全寿命疲劳分析、多轴疲劳分析、应变疲劳分析、裂纹扩展疲劳分析、软件 应变片疲劳分析、焊接疲劳分析以及振动疲劳分析的专业疲劳软件m s c f a t i g u e ， 经过不断的发展，形成了以m s c p a t r a n 、m s c n a s t r a n 为前处理工具，利用 m s c a d a m s 对汽车零部件或整车系统进行动态的仿真分析得到相关位置的载 荷时间历程，最后在m s c f a t i g u e 中完成疲劳寿命分析和优化的一整套疲劳寿命 集成化仿真流程。 通用汽车的t h o m a sw a n g 等【2 2 】利用i s i g h t 、m s c n a s t r a n 和n c o d e 软件， 基于副车架材料性能以及载荷条件等变化进行结构疲劳寿命评估，研究内容主要 有设计变量的选择、设计试验、应力分析、疲劳分析、响应面模型、蒙特卡罗仿 真、结果处理及得到威布尔分布函数等，实现结构疲劳寿命的自动化评估。 h o n g s u 2 3 1 提出一种以频域分析为基础的疲劳分析方法，通过对汽车随机振动 过程的仿真，得到节点的加速度、动态应力历程等参数，并利用有限元方法、振 动理论以及疲劳累积损伤理论预测出结构的疲劳寿命。使用m s c n a s t r a n 频 率响应分析模块获得车身结构的频率响应，用p s d 函数来描述结构随机响应的统 计特征，然后对承受多轴载荷激励的后轴结构进行了疲劳分析。 s a n gb e o ml e e 等人【2 4 j 分别利用模态叠加法以及准静态法对悬架结构进行了疲 劳分析，对比两种不同方法所得到的结果发现：在疲劳分析中应考虑车辆系统所 受到的冲击的频率的影响，使得疲劳寿命预测的结果更准确。 国内学者对汽车疲劳寿命预测方面也有一定的研究，李佳等人【2 5 j 利用虚拟试 验场技术建立具有真实接头的整车简化模型并结合虚拟试验路面模型，利用瞬态 响应分析的方法，计算出车身结构的动态应力应变场，并以某微型车的c 柱上接 头为例，应用应变寿命法进行了t 型接头结构的疲劳寿命分析。 龙梁等人【2 6 】通过对道路试验结果的分析及处理，得到了某特种越野车零部件 的动态应力时间历程以及频域信息，并在此基础上进行了疲劳寿命的分析与对比。 孙宏祝等人【2 7 】利用多体动力学理论建立整车模型，并基于有限元模态分析方 法，通过模态应力恢复得到了零部件载荷历程，最后将其应用于虚拟疲劳试验， 结合相应的疲劳理论，实现快速、准确预测零部件疲劳寿命。结果表明该试验方 法可有效应用于汽车设计阶段。 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 综上所述，国内外在对汽车零部件的疲劳寿命预测与分析领域都取得了很大 的成果，发达国家在这方面起步较早，已经逐渐形成了一套可靠的耐久性设计体 系，对于结构耐久性的研究重点也逐渐转移到基于瞬态响应分析的疲劳寿命预测 研究方面；国内学者对于结构疲劳研究主要是利用准静态法进行线性分析，研究 对象也大多是单个零部件，基于动态响应分析的整车系统级疲劳寿命分析研究还 有待进一步深入。 1 3 国内外驱动桥壳疲劳寿命分析研究现状 驱动桥的质量及性能直接影响着汽车整体的安全性、经济性和舒适性。桥壳 是驱动桥的主要受力部件，大量数据显示，桥壳是各种车辆上比较容易出现破坏 的部件之一。因此，国内外都对其进行了大量的研究。 东风汽车工程研究院结构强度室工程师鲁三才等【2 8 1 以东风汽车公司生产的 e q l 4 0 载货汽车为研究对象，选取后桥等结构为目标零部件，先后进行了路面谱 的测定、材料疲劳性能试验以及实车可靠性试验等试验工作。 重庆大学官磊【2 9 】依据国家相关行业法规标准，对驱动桥壳进行垂直弯曲刚度 试验仿真和垂直弯曲静强度仿真分析，使用准静态法分析桥壳实际路面的疲劳寿 命，根据商用车可靠性的试验规定路谱获得桥壳载荷谱，计算得到桥壳随机载荷 下的疲劳寿命和行驶里程，超过要求的3 万公里里程。 南京林业大学郑燕萍等【3 0 】依据概率疲劳分析理论和汽车振动理论，建立了汽 车驱动桥壳的有限元振动分析力学模型。基于随机路面谱，对汽车驱动桥壳的疲劳 强度进行了校核，并进一步预测了其疲劳寿命，还提出了利用c a e 方法计算驱动 桥模态进而进行疲劳寿命预测的方法。 南京理工大学郑慧林【3 1 1 利用有限元分析软件a n s y s 分析某微型车驱动桥在 不同工况下的应力状况，结合知名疲劳分析软件m s c f a t i g u e ，预测了驱动桥各 总成在正弦激励下以及随机路谱激励下的疲劳寿命。 江苏大学朱茂桃【3 2 j 等结合f e a 方法和相应的疲劳损伤理论分析了某农用车 驱动桥壳疲劳耐久性能，采用临界平面法得到桥壳的疲劳薄弱位置，分析结果表 明：主减速器后盖处的焊缝是疲劳寿命最短的位置，直接影响桥壳总成疲劳寿命。 可见这种基于有限元法分析产品疲劳寿命的方法能够得出可靠的疲劳寿命结果。 同济大学陈栋华等 3 3 1 通过实车道路载荷谱采集试验获取虚拟试验模型的边 界驱动信号，结合利用刚柔耦合技术建立的整车耐久性虚拟试验模型，完成了底 盘关键零部件副车架和后桥的疲劳寿命数字化预测。 清华大学高晶等【3 4 j 利用m s c p a t r a n 前处理软件建立了某车型驱动桥壳的有 限元模型，并应用m s c n a s t r a n 软件对该车型桥壳进行了应力分析及模态分析。然 后，建立了包含该桥壳柔性体单元的多体动力学系统模型，通过模拟整车在不同等 4 级的虚拟路面上的行驶状况，基于动力学分析，获取了桥壳弹簧座位置的随机载荷 谱。结合以上两条件运用专业疲劳分析软件m s c f a t i g u e ，利用s n 法对桥壳整体 进行单轴以及多轴复合工况条件下的疲劳耐久性分析，预测出桥壳疲劳寿命状况。 刘万峰等【3 5 】介绍了结构应变模态的特点以及测试结构模态的方法，建立了某 微型车驱动桥壳模型，并对其进行了模态分析，进而计算出在不同载荷条件下驱 动桥壳的动态应变，最后结合相关疲劳理论确定疲劳薄弱位置。 1 4 本文主要研究内容 在汽车产品早期开发阶段，对底盘零部件的寿命进行数字化预测，关键在于 精确的有限元模型和可靠的材料数据以及对耐久性试验边界条件的准确模拟。本 文首先建立一个系统级整车有限元模型，再以整车模型为研究对象，在虚拟试验 场的环境下进行整车虚拟耐久路试仿真，计算得到疲劳寿命较低区域，最后结合 虚拟路试所得到的位移载荷以及驱动桥壳的精细有限元模型，预测驱动桥壳的疲 劳寿命状况。 本文的主要研究内容如下： ( 1 )充分考虑系统中各种结构和材料的非线性特性，建立某商用车的车身、 悬架及轮胎等总成的有限元模型，保证悬架系统模型的完整度。 ( 2 )以v p g 路面库中具有真实道路载荷的耐久性虚拟路面为边界条件，利 用l s d y n a 通过显式积分运算，对整车系统进行动态响应分析，获得整车结构 的动态应力应变历程，将结果导入v p g f a t i g u e 中求得该车型后悬架的综合疲劳 寿命。通过仿真得到耐久性强化路面激励下的轮心载荷谱。 ( 3 )以驱动桥壳为例，通过对驱动桥壳进一步细化后的有限元网格模型， 计算出其在单位载荷作用下的静态应力场，并与上一步仿真分析得到驱动桥壳的 边界载荷谱匹配起来，结合材料的应变寿命曲线，考虑多轴应力水平的影响，考 虑平均应力，利用应变寿命法对驱动桥壳的疲劳寿命进行了分析，实现驱动桥壳 的寿命预测。通过后期实车道路试验验证了基于虚拟试验场进行系统级疲劳耐久 性分析的可操作性和准确性。 第2 章整车耐久性虚拟试验有限元模型的建立 汽车整车由很多总成组成，并且零部件之间存在复杂的连接关系，因此汽车整 车建模和零部件建模有很大不同，区别在于整车建模必须对整车结构与特征进行 分解、分析，才能达到准确建模的目的。然而，如果对每个零部件都详细划分网 格，不仅前处理工作量大，也会造成后期求解时计算量大，计算效率低等不利。 因此，在保证计算精度的前提下，建立一个尽量简化的有限元计算模型对进一步 开展后续相关研究工作有重要意义。 汽车结构一般分为白车身、悬架系统、轮胎等总成，本章基于汽车总成结构 划分来进行模块化建模，介绍了模块化建模的技术要点，分别建立某商务车的白 车身、悬架、车轮等的有限元模型，并将各总成的有限元模型进行装配，最后完 成某商务车整车虚拟耐久性有限元模型的建立。 2 1 汽车耐久性虚拟试验 2 1 1 耐久性虚拟试验的概念 虚拟试验是指为了实现各种虚拟试验环境，在计算机中应用软件部分或者全 部代替硬件，模拟真实试验环境中完成各种试验并取得接近或等效于真实试验的 效果。汽车虚拟试验场可以用于实现试验的前处理、试验仿真以及试验结果的后 处理等【36 1 ，为随时支持用户试验，汽车虚拟试验场不断发展其通用仿真能力，以达 到在“系统的系统”环境进行模拟的目的。本文研究的汽车虚拟耐久性试验是指 利用计算机模拟实验室台架试验以及实车的试验场道路试验，通过仿真分析，研 究某商用车的整车系统或零部件疲劳耐久性能。汽车虚拟试验场不断深入研究在 恶劣的、变化的工况中对汽车耐久性、平顺性、操纵稳定性等的试验仿真能力， 汽车在工作过程中可能遇到的所有路况在这些环境中都有涉及。汽车虚拟试验场 具备传统的模拟试验能力，并通过大幅度的减少试验循环所耗费的时间和成本， 进一步拓展了这种能力。图2 1 为虚拟耐久性试验流程( 以虚拟试验场为例) 。 6 硕士学位论文 图2 1 虚拟耐久性试验流程( 以虚拟试验场为例) 2 1 2 耐久性虚拟试验的分类 根据应用范围和模拟途径的不同，一般将耐久性虚拟试验分为虚拟试验台、 混合试验道路和虚拟试验场( 又称数字化试验道路) 。下面对这三种耐久性虚拟试 验方法进行简单的介绍【37 1 ： ( 1 ) 虚拟试验台，是指在具备实车的情况下，通过将已知的轮轴轴心力或轮 心位移作为计算机模拟的输入条件进行虚拟试验，从而达到部分代替室内台架试 验的目的，进行样车零部件疲劳寿命的预测。这种方法的缺点是与台架试验类似， 需要进行详细设计零部件并制造出样车后，再经过试验场道路试验数据的采集和 处理，才能进行后续的疲劳耐久性分析。图2 2 为虚拟试验台示意图。 图2 2 虚拟试验台 图2 3 混合试验道路 ( 2 ) 混合试验道路，这种方法通过仿真原型车虚拟道路试验，得到原型车的 轮轴力信号，并以此为基础预估新开发车型的轮轴力信号，再将此信号转换成为 轮轴的位移信号，作为新开发车型多体动力学模型的边界条件，通过分析计算出 结构的动态应力应变场，进而预测目标零部件的疲劳寿命。图2 3 为混合试验道 路方法示意图 ( 3 ) 虚拟试验场，由于整车结构的工作条件具有一定的随机性，因此，有必 要在仿真分析中引进标准统一的道路载荷谱，这也是汽车行业发展的必然要求。 虚拟试验场模型化了汽车的悬架结构、轮胎以及路面载荷等特征参数，研究对象 是整车系统，以标准的路面和汽车行驶车速作为边界条件对整车各项性能进行仿 7 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 真分析。虚拟试验场的优点在于能够获得准确的路面载荷谱，并且充分考虑了整 车系统中的各类非线性因素，无论是车型的概念设计阶段还是后期样车试验阶段 都可以应用这种方法。图2 4 为虚拟试验场示意图。 ( a ) 虚拟路面 ( b ) 虚拟试验 图2 4 虚拟试验场 通过对比上述三种耐久性虚拟试验方法发现，这三种方法在车型开发的不同 阶段都有着各自的用武之地，同时也具备各自的优点和缺点，我们在应用这些方 法时应审时度势，根据现实条件进行合理选择，这样才能更快更好的达到研究目 的。下面对这三种方法的适用范围、模型组成及试验条件等因素进行对比研究， 如表2 1 所示i j ： 表2 1 不同耐久性虚拟试验方法的对比 本课题的研究目的是为了在设计阶段对某商用车后悬架中的驱动桥壳进行疲 劳寿命分析，因此选择虚拟试验场方法，建立系统级整车有限元模型，并通过在 虚拟试验场的环境中对整车模型进行虚拟路试，进一步研究目标部件的疲劳耐久 性能。 硕士学位论文 2 1 3 虚拟试验场技术 随着消费者对汽车产品在安全、节能、舒适等性能需求的日益增长，传统的 结构设计开发流程也逐步发生转变，在试制车辆制造之前对整车进行模拟仿真分 析，可以尽早地发现结构设计对整车或部件性能的影响，从而大大缩短了开发周 期，既能提高产品质量，又可以降低开发成本。 美国e t a 公司针对c a e 技术在汽车行业的应用，通过与通用、福特等世界 一流汽车公司近2 0 年的合作，联合l s t c 及a n s y s 公司，基于l s d y n a 平台 开发了一款专业的汽车仿真分析软件v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 。 v p g 的应用范围很广，主要包括整车疲劳分析、整车运动学和动力学分析、 还可以进行碰撞安全分析、乘员保护分析、n v h 分析等各个领域的研究，软件包 含大量的数据库和模型库，能够大大减少开发所需的工程师人数并提高工作效率。 在虚拟试验场环境中进行整车虚拟路试的步骤为：首先建立包括轮胎、底盘 及车身等完整结构在内的系统级整车有限元模型：然后利用非线性有限元分析软 件模拟车辆在耐久性强化路面上进行道路试验的过程，求得整车结构的动态应力 应变响应后，在这个基础上再对目标零部件进行进一步的疲劳寿命分析。 对整车耐久性试验的准确模拟主要依赖于精确的整车模型。v p g 中提供的模 型数据库保证了整车系统中各种结构和材料的非线性( 如轮胎材料的非线性以及 轮胎与地面接触的非线性等) ，下文即在已有模型库的基础上，根据实际情况建立 整车耐久性虚拟试验模型。 2 2 整车耐久性虚拟试验模型建立 一般地，整车结构由悬架、轮胎、白车身等部件组成，是一个复杂且庞大的 系统。传统的底盘结构静态分析模型与用于道路激励下瞬态响应分析的虚拟试验 模型之间存在很大区别：后者除了悬架有限元模型外，还需加入白车身、轮胎等 部件的有限元模型，并根据实际情况，考虑各部件间各种连接关系，将这些模型 装配成整车耐久性虚拟试验模型。 2 2 1 白车身有限元模型的建立 白车身部件的有限元建模过程包括几何模型的简化、划分网格、单元及材料 属性的定义等，具体步骤如下： ( 1 ) 网格划分：白车身主要由钣金件焊接拼装而成，通常采用壳单元来进行 描述。为保证模型精度，应尽量避免使用三角形单元，最好将其数量控制在单元 总数的1 0 以内。网格质量评价指标见表2 2 9 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 表2 2 壳单元评价指标 参数名称 长宽比( a s p e c t ) 翘曲度( w a r p a g e ) 长度( 1 e n g t h ) 偏斜度( s k e w ) 雅克比值( j a c o b i a nr a t e ) 四边形最小角度( r a i na n g l e ) 单元最大角度( m a xa n g l e ) 三角形 最小角度( m i na n g l e ) 单元最大角度( m a xa n g l e ) 4 5 。 3 0 0 1 2 0 0 ( 2 ) 单元属性定义：壳单元需要定义厚度、积分公式以及厚度方向的积分点 数量等。本文中的壳单元厚度均按照实际厚度设定，采用b e l y t s c h k o t s a y 积分公 式，缺省的厚度方向使用3 个积分点。 ( 3 ) 材料定义：目前，在汽车车身中，普通低碳钢板的应用最为广泛，这种 材料既能满足汽车车身的强度刚度要求，又具有良好的塑性加工性能。因此中低 档车车身材料大多选择采用普通低碳钢板。 本课题中的白车身材料应用分段线性各向同性弹塑性材料模型进行模拟。材 料的杨氏模量、泊松比、密度、屈服极限、硬化模型等相关参数可以通过反求技 术来准确获知，这种方法的基本原理是通过结合有限元方法与试验技术，对模型 参数进行优化，最终达到计算值和试验值的误差在允许范围之内的目的，进而获 得准确的材料模型参数。本文中的材料模型参数由企业提供，其中，e = 2 0 6 x1 0 5 n m m 2 、p = 7 8 3 x 1 0 。9 t o n m m 3 、v = o 2 8 。 2 2 2 悬架有限元模型的建立 悬架是汽车的主要总成，它将地面的激励传递给车身，并且缓冲不平路面造 成的冲击，衰减由此造成的振动，对汽车的操纵稳定性和平顺性有极大影响。根 据本车型的悬架数模，首先在h y p c r m e s h 中划分网格，过程不再赘述。悬架有限 元模型中包含2 种单元类型：壳( s h e l l ) 单元和实体( s o l i d ) 单元，壳单元之间 及壳单元与实体单元之间的连接主要由点焊来实现，本文利用b e a m 单元模拟焊 点，约束主从节点6 个自由度。焊点的间距一般取4 0 - - 5 0 m m 。本车型前悬架为 麦弗逊式独立悬架，后悬架为非独立悬架，图2 5 为前、后悬架结构示意图。 1 0 硕士学位论文 图2 5 前、后悬架结构示意图 在悬架模型中弹簧、减震器阻尼以及弹性衬套的刚度均为实测值，本文按照 实车模型建立各弹性元件。其中，弹性衬套利用两端共节点的6 个离散弹簧( 3 个平移3 个转动) 和6 个离散阻尼( 3 个平移3 个转动) 来模拟39 1 ，以上纵臂前 端衬套的刚度曲线为例，其衬套特性参数曲线如图2 6 所示： 8 0 x 1o l 6 , 0 x i o 4 0 x io 7 ：纱 叼 l + o p i i n t 硎y _ 牡 一u 阱l n k b o d y , , t y ra p l i n k 删盥 - 4 0 - 3 0 - 2 0 1 001 02 03 04 0 位1 多r n m 扭转角t r o d ( a ) 平移刚度曲线( b ) 扭转刚度曲线 图2 6 衬套刚度特性曲线 本文利用离散弹簧单元来模拟螺旋弹簧，由于弹簧的刚度有线性和非线性之 分，因此需要选择相应的弹簧属性来达到真实模拟的目的。由于车辆的设计状态 为车辆在承受了设计载荷时的状态，弹簧也是处于压缩状态，因此在建立弹簧模 型时还应加入弹簧预紧力，即定义初始偏置值( i n i t i a lo f f s e t ) ，这个值为正表示 弹簧处于拉伸状态，为负表示弹簧处于压缩状态【4 0 1 。本文中研究的车型前后悬架 中的螺旋弹簧均为线性，参考布置报告，定义前、后螺旋弹簧的刚度值分别为： k f = 3 0 n m m ，k ，= 5 6 n m m ，由布置报告可计算得前、后弹簧的初始偏置为： l f = - 9 5 4 m m ，l r = - 5 3 m m 。 悬架的减震器一般采用非线性粘性离散阻尼单元进行模拟，利用圆柱副 ( c y l i n d r i c a l ) 实现压杆在减震器套筒内的运动。如果减震器的阻尼特性是线性的， 则只需要定义一个阻尼刚度数值，如果其阻尼特性是非线性的，则需要定义一条 描述力速度关系的曲线。本文中研究的车型前、后悬减震器的阻尼特性均为非线 坩们 何o 阪 弧 瞅 弧 帆 2 2 l p 8 eez敏窖 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 性，其阻尼特性图如图2 7 所示( 以后悬架减振器阻尼特性曲线为例) ： 图2 7 后悬架减振器的阻尼特性曲线 2 2 3 轮胎有限元模型的建立 轮胎是汽车的重要组成部件，主要功能是支承整车质量，缓冲路面冲击，同 时传递驱动力、制动力、转向力等给地面，对汽车的操纵稳定性及平顺性等具有 重要的作用。在整车瞬态响应分析中，轮胎模型的好坏直接影响仿真结果的准确 度。 目前大多数的研究中所建立的轮胎有限元模型都是为了分析轮胎充气后本身 的一些性能，如变形、应力和模态等，用于进行整车疲劳耐久性能分析的轮胎有 限元模型却比较少。v p g 软件中轮胎模型库所包含的轮胎模型，充分考虑轮胎的 机械特性，能够准确反映轮胎的各个方向上的刚度特性，并且可以保证将路面冲 击造成的力和位移准确的传递到悬架系统以及车身上。v p g 中不同的轮胎有限元 模型，如针对疲劳寿命分析、n v h 分析以及操纵稳定性分析等所对应的轮胎模型 可以实现相应的不同的研究目的。 本文选用轮胎模型库中用于疲劳寿命分析的轮胎模型，其中轮胎型号为 p 1 7 5 7 0 r 1 4 ，胎压为o 2 5 m p a 。该轮胎由上、下胎面、帘布层、侧壁、包布轮毂和 轮辋组成。其中轮胎上、下表面和包布为六面体单元，采用m o o n e y r i v l i n 橡胶 材料；其余结构均为壳单元，除轮辋之外的壳单元采用弹性材料模型( e l a s t i c ) ， 轮辋采用刚体材料( r i g i d ) 。有研究表明，定义轮辋的材料为弹性材料，其振动 模态以及频率与刚体轮辋计算结果基本一致【4 1 1 。另外，利用a i r b a g 模拟轮胎气压。 有限元轮胎模型如图2 8 所示： 1 2 硕士学位论文 一o 一4 lm ， 、f ，j ：。一 u x ，? ! ：o ! 一“j m m。、沁“。三参移p 图2 8 轮胎有限元模型 2 2 4 非结构质量模型的建立 整车模型除了白车身、悬架、轮胎之外，还包括驾驶员及乘客、行礼、油箱、 备胎、发动机、变速器、动力传动系统、排气系统、仪表板、电池及空调系统等 结构，但这些结构对疲劳寿命的计算影响较小，如果细分网格，会大大降低计算 效率，因此，本文利用具有质量的刚体在相应质心位置建模，并通过刚性梁单元 与悬架支撑点相连，以达到准确模拟实际的目的。 2 3 整车模型装配及验证 汽车车身之间的连接主要利用点焊，同时配合采用焊缝、铆钉以及螺栓等结 构来实现。本文利用b e a m 单元模拟焊点，约束主从节点6 个自由度。焊点的间 距一般取4 0 - - 5 0 m m 。 悬架零部件之间的连接类型则多种多样，包括球铰、旋转副等连接副以及橡 胶衬套等弹性元件。将上述车身模型、悬架模型、轮胎模型通过相应的约束和运 动副连接起来，对整车模型定义重力加速度g ，根据相关数据设置悬架模型中的 弹簧、阻尼及衬套参数，并根据总布置报告中的车重及前后轴载荷分布，设置前 后悬架弹簧相应的初始压缩量，定义各部件之间的接触，模型中采用自接触防止 零部件之间的穿透现象，至此整车模型装配完毕，如图2 9 所示： 基j 二虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 图2 9 虚拟整车模型 为保证整车模型的准确。t i ，在其进行虚拟试验场仿真前，需要对模璎进行验 证和校核。其t ，一个重要的校核项口就是模型重心的位置，可以从静态的角度说 明模型的i 卜确性，经计算可得，整车模型的总质量和质心位簧j 总和骨设计参数 基本卡 | 符。质最分布及质心位置计算结果对比如表2 3 所示： 表23 整车虚拟模型和实车参数( 满载) 对比 通过对整车模型的分析，可以总结m 模型出现误差的原冈有以卜儿点： ( 1 ) 整车模型忽略了车身、底僦结构 ：的一些小部件，比如加强筋、台阶、 孔洞等： ( 2 ) 弹簧、衬套以及各运动剐都采用卡 jj 邂单己模拟，而没仃【f 玎jf 实际删格； ( 3 ) 发动机、驾驶员等采用的是存质心位置力午 j 应质鞋的方法，难免实际 情况仃所偏差 1 4 硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了几种耐久性虚拟试验各种的优缺点，并对其技术原理进行对 比研究；介绍了某商务车整车耐久性虚拟试验有限元模型的建立过程和技术要点： 包括白车身有限元模型、悬架有限元模型、轮胎有限元模型以及非结构质量模型 的建立，最后结合实际情况，利用各种约束及运动副将各子系统装配在一起，得 到整车的有限元模型，并通过对比整车虚拟模型和实车的质量分布、质心位置等 参数，对整车模型进行了验证。 基于虚拟试验场的商用车驱动桥疲劳分析 第3 章耐久性试验路面有限元模型 道路试验是整车试验中的一项重要项目，汽车道路试验一般是按照相应的试 验规范在专业的试车场进行。由第二章的分析可以知道，本文在虚拟试验场的环 境中建立某商用车的整车耐久性虚拟试验模型，该模型的边界输入条件为轮心力 和轮轴位移载荷谱，在设计阶段，由于实车还未制造出来，实际的载荷谱难以获 得，一般利用整车多刚体动力学模型仿真的方法来得到。本文以整车为研究对象， 边界条件只有路面不平度激励和车速，而且分析时所选择的虚拟试验场的路面具 有标准化、规范化的特点，使得整车虚拟路试所获取的载荷谱及应力应变历程更 加准确，与实车试验场路试具有更好的可比性。由以上几点出发，本章将按照相 应的试验规范，建立合适的强化路面，结合第二章所建立的整车耐久性虚拟试验 模型，以达到在虚拟环境下进行耐久性路试的目的。 3 1 耐久性道路试验 3 1 1 耐久性道路试验的分类 耐久性道路试验有很多种，按照操作方法分，可以分为常规耐久性试验和快 速耐久性试验【4 1 】：常规耐久性试验是指汽车在实际使用中的道路条件下进行的耐 久性试验，利用这种方法得到的试验结果比较准确，但试验条件难以统一，重复 试验困难，而且试验耗时较长；快速耐久性试验是在专业汽车试验场内的强化试 验道路上进行的疲劳耐久试验，使车辆能在较短的行驶里程内发生疲劳破坏，因 此试验相对耗时较短。通常情况下，汽车产品的设计寿命都比较长，如果采用常 规耐久性试验方法，则可能要花费很长时间和大量费用，造成产品开发、产品优 化的周期过长。而快速耐久性试验能在较短时间内暴露出汽车问题所在，并且有 固定路面，有较好的可重复性，节约时间，方便对比。因此一般采用快速耐久性 试验来评价汽车的疲劳耐久性能。 3 1 2 实车试验场路试 各发达国家建立了多种类多功能的汽车道路试验场，一些顶级汽车公司也建 立了适用于本公司车型定位的路试试验场；我国也在海南、襄樊、定远等地建有 汽车路试场地。试车场对试验道路的路面类型、道路组合以及各路面行驶里程等 都有相应的规定及标准。根据试车场试验标准，目标零部件道路试验里程可以等 同于其在实际工作环境中数倍的当量使用里程数，所以试车场的路面谱实际上是 一种强化路面谱。不同试验场的道路类型、循环里程以及行驶顺序均有各自的标 1 6 准，以海南汽车道路试验场为例：该试验场的耐久性路试跑道包括2 2 种典型路面， 跑道总长达8 2 1 5 m ，囊括了我国常见的各种典型路面。表3 1 列出了海南路试场 道路试验规范中微型客车的试验标准【4 2 】： 表3 1 微型车路试试验道路种类及行驶顺序 3 1 3 路面不平度的统计特性 汽车试验场中的耐久性路面大多为典型的随机路面。大量研究表明，随机路 面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性，可以用平稳随机过程理论来分析描 述，将其作为均值为零的随机过程。 通常把路面相对于基准平面的高度q ，沿道路走向长度