125 基于Virtual.Lab Motion的非承载式车身道路载荷谱预测方法研究(1)

1 基于基于Virtual Lab Motion的非承载式车身的非承载式车身 道路载荷谱预测方法研究道路载荷谱预测方法研究 李世浩 陈有松 上汽商用车技术中心 上海 200438 摘要摘要 道路谱的动态载荷是分析底盘件及车身连接点疲劳的关键输入 为了准确获取部件的动态载荷 首先需 要采集试验场路谱信号 然后利用Virtual Lab Motion创建带有整体式车架的整车刚柔耦合多体模型 通过Motion TWR虚拟迭代的方式得到轴头位移驱动信号 进而分解获得悬架接附点动态载荷谱 并在数据处理软件Tecware中对比 载荷预测的结果 从而为车架的疲劳分析提供准确的动态载荷输入 本文对整体式车架的动态载荷进行了预测分析和研 究 车架疲劳仿真结果再现了耐久路试的危险区域 证明了该载荷谱分析方法的准确性 关键词 载荷谱 多体模型 虚拟迭代 疲劳分析 Research on the method of load spectrum prediction with unitized vehicle body based on Virtual Lab Motion Li Shihao Chen Yousong SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center Shanghai 200438 Abstract The dynamic load spectrum is the key input to analyze the fatigue of chassis and the joint of vehicle body In order to obtain the dynamic load of the component accurately it is necessary to collect the road spectrum signal of the test vehicle first and then create the rigid flexible coupling multi body whole vehicle model with integral frame by Virtual Lab Motion Through virtual iterative way to get spindle displacement signal by Motion TWR and then get the dynamic load spectrum of suspension joints The dynamic load spectrum are compared with the test data by Tecware so as to provide dynamic load spectrum input for vehicle frame fatigue analysis In this paper the dynamic load of the integral frame is predicted analyzed and studied The result of fatigue simulation of the frame reproduced the dangerous area of the durability road test which proved the accuracy of the load spectrum analysis method Keywords load spectrum multi body model virtual iterative fatigue analysis 道路载荷分解是从整车系统载荷到零部件载荷的主要途径 这些载荷包括底盘系统部件的 约束载荷和车身连接处的载荷 载荷数据提供给CAE分析部门使得在早期设计阶段进行合理的 疲劳分析成为可能 载荷可分为静态载荷和动态载荷 由于静态载荷比较单一 与道路耐久 规范关联性不明确 单纯依靠静载荷分析的方式不能完全满足整车及零部件的开发需求 这就需要有与实际道路工况相匹配的动态载荷输入 既可以用来检验已有设计是否合格 又 为结构的修改和优化设计提供客观依据 动态载荷谱分解一般采用驱动整车多体动力学模型来 实现 而驱动信号有多种 如果采用直接测量路面不平度的数字道路方法费用昂贵 另一方面 基于实车道路采集的轮心六分力又不适合直接用于疲劳载荷分析 基于Virtual Lab Motion平台可以实现多体动力学整车建模 道路载荷谱迭代 动态载荷谱分解等整个流程 如图1所示 本文中的车架连接了非承载式车身和悬架结构件 其本身重量及承载均较大 设计时对其 疲劳耐久性有较高的要求 文中建模时对整体式车架结构进行了柔性化处理 在施加动态载荷 时考虑了柔性化变形以更加符合实车状态 最终分解的载荷施加到车架有限元模型上分析疲劳 风险区域并与实车道路试验作对比 2 路谱采集及数据处理 载荷虚拟迭代多体模型建立 载荷分解计算 图图1 1道路载荷谱分解流程道路载荷谱分解流程 1 道路载荷谱采集道路载荷谱采集 根据道路耐久规范 采集的道路谱包括试验空载和满载两种状态下 包括六分力在内的力 加速度 位移等多种工况的时域曲线数据 具体如下表所示 其中选择轮心六分力中的垂向力 作为虚拟迭代目标信号 其他作为监控信号 在获取原始数据后 按照不同路面的特征对其进行有效数据段的截断 还要进行滤波 重采样 去除毛刺 纠正漂移 检查频谱相位等方面的处理 表表1 1 数据采集传感器数据采集传感器 测点位置测点位置测量信号测量信号传感器传感器用途用途 车轮轮心六分力六分力仪目标信号 轴头加速度加速度传感器监控信号 螺旋弹簧弹簧位移应变片监控信号 减振器活塞杆轴向力应变片监控信号 减振器上塔顶加速度加速度传感器监控信号 减振器下安装座轴向力应变片监控信号 路谱数据测点测试信号数据采集 数据处理 图图2 道路道路谱谱数据采集及数据采集及处处理流程理流程 3 2 整车建模与对标整车建模与对标 整车包括了以下几个子系统 前双横臂式独立悬架 后五连杆式非独立悬架 前 后稳定杆子机 构 齿轮齿条式转向子机构 车身 车架子机构 前 后轮胎和车轮子机构 试验台子机构 建模 之前得到悬架底盘件以及整车的参数 是整车建模的基础 其中性能件的参数特别是弹性 件的刚度 减振器阻尼等方面要求是实际测量的非线性数据 其中 比较特殊的一类是K C试验的数据 得到的结果用于仿真模型的对标 图图3 建模及建模及载载荷分解所需荷分解所需输输入入 2 1 整车建模整车建模 Driving Dynamics是基于Virtual Lab Motion主程序 提供悬架 转向系 动力总成和整车建模分析模版的封装起来的多体动力学仿 真软件 利用LMS Driving Dynamics软件选择前后悬架及各子系统的类型 然后通过修改每个系统中所关联的表格及相 应设置 从而可以方便地调用Virtual Lab Motion模型数据库 建立起完整的整车多体模型 稳定杆采用了Beam梁单元的建模方式 过程 中只需指定稳定杆的类型 杆径及稳定杆衬套位置 并选取能代表稳定杆结构特征的若干中心 点坐标 4 图图4 整整车车建模建模计计算算过过程程 图图5车车架替架替换为换为柔性体装配整柔性体装配整车车 2 2 车架柔性化建模车架柔性化建模 采用了整体式车架的结构 车架通过悬置衬套与前 后悬架及车身连接 这些连接点都将 成为刚柔耦合的接附点 也是最终载荷分解的输出点 由于整体车架承载质量较大 存在一 定的变形 为了提高K C对标的精确度以及减小动态载荷分解的误差 有必要对车架部分 进行柔性化处理 柔性体的建模一般采用有限元方法 引入子结构模态综合法降低求解规模 其建模流程如下所示 将车架刚体替换为含有模态结果文件的有限元模型 检查无误后即可完 成刚柔耦合整体动力学模型的建模 图图6 6柔性体建模流程柔性体建模流程 图图7 整体式整体式车车架柔性体模型及其模架柔性体模型及其模态频态频率率 表表2 整体式整体式车车架柔性化属性架柔性化属性 质量 kg质心 mm主惯量 kgm 2 274 146 2012 5 0 265 644 796 58 947 503 132 555 702 2 3 模型对标模型对标 悬架的K C对标包含了悬架各向刚度等诸多方面的指标 通过对悬架模型平行轮跳 反向 轮跳 转向工况 侧向力 纵向力 回正力矩加载仿真等方面 将仿真结果与K C台架试验 处理后结果进行对标 对应的调节悬架各项参数 力求使对标效果达到最好 下图列出了平 行轮跳过程的前悬架各向刚度的对标过程 通过调整预载 缓冲块位置和刚度及衬套刚度 5 使垂向刚度曲线 侧向刚度对应较好 纵向刚度有一定偏差可以接受 对标的各向刚度和拐 点位置的误差在3 7 以内 后悬架的对标与前悬架类似 对标结果符合需求 图图8 前前悬悬架垂向 架垂向 侧侧向 向 纵纵向向刚刚度度 完成了前后悬架的性能的对标 还需要对整车参数进行对标 这其中就包括了静平衡 状态的轮荷 输入整车的重心 惯量参数并添加约束 各个子机构通过装配成为整车模型 调整的过程是以模型中车身的重量和质心位置为变量与实验车辆轮荷进行比较 静平衡状 态的载荷对标结果误差控制在2 内以满足建模需求 如图9可以看到在静平衡仿真时载荷 曲线会有起伏 TWR 软件为了消除仿真模型起始阶段的不稳定影响 需要进行静平衡和重启动设置 图图9 模型静平衡状模型静平衡状态轮态轮荷荷输输出曲出曲线线 3 载荷迭代与分解载荷迭代与分解 基于道路试验测量的六分力 不适合直接加载到多体动力学模型 自由状态模型会出现漂 移和旋转的问题 约束车身会出现过约束造成载荷偏大 运用虚拟迭代的方法 根据试车场 路谱采集试验的载荷和响应 反算迭代出轴头的垂向位移激励 可以直接施加在不约束车 身的多体动力学模型上 该方法避免使用复杂的轮胎 数字路面和驾驶员模型 基于新旧相 似车型的同一道路上的路面不平度历程一致性 能够准确预测新车型的疲劳载荷谱 利用 Motion TWR 进行虚拟迭代仿真 将不同载荷状态下各个路面通过迭代得到的轴头垂向位移作为系统驱 动信号 将轮心垂向力作为试验目标信号 车身加速度及零部件的载荷等其他信号作为监 控 3 1 虚拟迭代原理虚拟迭代原理 虚拟迭代核心是时域波形复现技术 TWR Time Waveform Replication 本质是一个非线性系统迭代求逆问题 可以通过已有的道路试验目标数据 反求多体模型的输入驱动位移信号即道路不平度激励信息 一般情况下 迭代过程包括系 统传递函数识别和载荷迭代两个阶段 由于传递函数是线性的 识别高度非线性的多体模 型系统的传递函数就需要通过迭代来实现 通过计算输出值反复逐渐逼近实测值 最终得 到相对准确的载荷输入 这就是虚拟迭代的过程 6 系统识别得到一个以为输入 以试验典型路面响应信号为输出的数学模型 这 tu ty 是系统的频响函数矩阵形式的线性模型 传递函数为 1 tutytF 在系统辨识时采用多通道同时激励 比采用单输入激励更接近实际情况 因为考虑了 不同输入通道和输出之间的相互耦合非线性 辨识的激励信号通常是白粉红噪声 输入系 统得到响应信号 可计算系统频率响应函数 FRF Frequency Response Function 矩阵 2 fUfU fYfU fG fG fH xx xy 式中 分别是随机信号 的傅里叶变换 分别是 fU fY tu ty fU fY 共轭 分别是 的自功率谱和互功率谱 fU fY fGxx fGxy tu ty 先由实测的路谱信号和辨识的传递函数的逆矩阵 求得初始驱动信号如下式 3 11 fTgfHdFtu 式中 F 是傅里叶变换 d g分别是驱动系数和目标系数 取值在0 1 之间 T f 是频域目标信号 u t 是初始位移驱动信号 将初始驱动加载给模型得到系统的响应 可以由 tytTgFfe 4 计算频域的误差 式中 T t 是时域目标信号 y t 是系统响应 如果误差不满足条件 则根据下式进行迭代 根据误差判断直至满足条件迭代结束 最终 可以得到迭代后的控制驱动信号 5 11 1 fekfHdFtutu ii 式中 i 是迭代的次数 与 类型 k gd 是误差系数 适当的选择这几个系数可以加快迭代的收敛速度 增加算法的鲁棒性 3 2典型路面虚拟迭代联合仿真典型路面虚拟迭代联合仿真 按照耐久路试规范进行实车道路谱信号采集 为了提高效率 计算各个路谱轮心垂向 力的疲劳伪损伤和功率谱密度 仅比较路谱能量分布在中高低频三个范围选取有代表性的 若干路面 以下列举了仿真模型为满载状态下中等比利时路的载荷迭代 中等比利时路为中频路 面 以垂向疲劳载荷为主 选取的有效路谱时长为45s 从图10中可以看到迭代14次均方根 误差在3 2 6 8 之间 小于10 的目标误差 并且通过累积损伤和迭代第一次与第14次的相关性分析曲 线也印证了迭代的有效性 累积损伤和相关性曲线是比较的输入与系统响应之间的关系 累积损伤曲线重合度越高迭代效果越好 相关性曲线斜率越趋近1 线条越细直 说明迭代 效果越好 7 图图10 迭代目迭代目标标的均方根的均方根误误差差 图图11 迭代目迭代目标标累累积损伤积损伤及相关度曲及相关度曲线对线对比比 图12 14是迭代目标和监控目标的曲线的对比 其吻合度也比较高 模型中输入的惯量 衬套数据 不够精确 动力总成部分没有建模也会对结果造成影响 迭代目标的频域曲线中25Hz以后 引起的误差主要是由于仿真中没有建立轮胎 传动系的引起 图图12左前迭代信号左前迭代信号时时域 域 频频域曲域曲线对线对比比 8 图图13左前减振器塔左前减振器塔顶顶加速度信号加速度信号对对比比 图图14 左前减振器下安装座力信号左前减振器下安装座力信号对对比比 3 3载荷分解载荷分解 中等比利时路载荷迭代结束后 将得到的轴头垂向位移作为轮心的驱动信号 同时加 载由六分力仪采集的其他方向的力和力矩 在模型中设置各个连接点的输出载荷类型和通 道 就可以在无约束车身的状态下输出悬架件连接点及车身车架接附点的动态载荷 从而 得到每种载荷状态下70个测量点 共420个通道的动态载荷 其他以垂向载荷为主的耐久路 试工况 如越野路 比利时路 方坑 减速坎等工况 可以重复以上迭代轮心垂力并加载垂 向位移激励的方式分解道路谱载荷 同时对输出的动态载荷谱进行对标以确认是否满足要 求 以至完成所有的载荷谱分解 图15是在中等比利时路工况下分解到的车身接附点的第 二悬置左侧6方向载荷谱 0 045 02 55 07 510 012 515 017 520 022 525 027 530 032 535 037 540 042 5 Time in s Body Mount txt rsp 4353 5 347 2 4250 0 4000 0 3750 0 3500 0 3250 0 3000 0 2750 0 2500 0 2250 0 2000 0 1750 0 1500 0 1250 0 1000 0 750 0 500 0 250 0 0 0 N 214 5 248 3 200 0 175 0 150 0 125 0 100 0 75 0 50 0 25 0 0 0 25 0 50 0 75 0 100 0 125 0 150 0 175 0 200 0 225 0 N 123 5 130 4 100 0 80 0 60 0 40 0 20 0 0 0 20 0 40 0 60 0 80 0 100 0 120 0 N Body Mount txt rsp Frame Body 1 Left Fz Body Mount txt rsp Frame Body 1 Left Fy Body Mount txt rsp Frame Body 1 Left Fx 0 045 02 55 07 510 012 515 017 520 022 525 027 530 032 535 037 540 042 5 Time in s Body Mount txt rsp 3895 6 3370 1 3500 0 3000 0 2500 0 2000 0 1500 0 1000 0 500 0 0 0 500 0 1000 0 1500 0 2000 0 2500 0 3000 0 Nxmm 13696 2 9690 5 12000 0 10000 0 8000 0 6000 0 4000 0 2000 0 0 0 2000 0 4000 0 6000 0 8000 0 Nxmm 24431 7 25515 4 20000 0 15000 0 10000 0 5000 0 0 0 5000 0 10000 0 15000 0 20000 0 Nxmm Body Mount txt rsp Frame Body 1 Left Tz Body Mount txt rsp Frame Body 1 Left Ty Body Mount