基于整車路面譜的副車架開裂臺架試驗及仿真

潘公宇, 徐 銳,2, 楊曉峰

(1.江蘇大學 汽車與交通工程學院,江蘇 鎮江 212013; 2.恒大新能源汽車全球研究總院,上海 201620)

耐久性能是汽車零部件開發過程中的一項重要指標。據統計,汽車零部件損壞中大約90%是由于結構疲勞失效引起的,然而汽車零部件的制造和整車耐久試驗會消耗大量時間和經濟成本。隨著計算機技術的發展,仿真分析和有限元技術可以有效地預測零部件開發過程中的疲勞耐久風險區域、改進結構不合理設計,從而大幅度減少實物試驗、縮短整車研發周期、節省試驗經費[1]。

疲勞載荷是支持疲勞耐久試驗和仿真的關鍵輸入。當前疲勞載荷的仿真有基于虛擬掃描3D路面仿真和基于試驗場隨機路譜的仿真[2]。盡管虛擬路面仿真技術可以在不借助物理樣車進行試驗場路譜采集數據情況下得到相關連接點的疲勞載荷,但在項目實際開發中,整車強化耐久路試中依然會出現一些疲勞耐久風險,需要針對風險位置通過實車路譜采集獲取相關試驗數據,同時進行物理臺架試驗和CAE仿真來復現和快速驗證。

為了快速復現和解決整車耐久路試中發現的問題,本文基于采集的試驗場強化耐久路譜,搭建副車架與穩定桿物理臺架,較好地復現了副車架的開裂位置。通過在Adams中建立與臺架邊界相同的虛擬臺架,基于虛擬迭代方法獲得風險點位置處較高精度疲勞載荷,應用有限元疲勞仿真手段完成結構的虛擬壽命分析,并基于仿真虛擬臺架的載荷進行后續副車架相關結構的優化改進驗證。由于虛擬臺架、物理臺架試驗及整車耐久路試開裂位置復現具有較高的相關性,后續優化改進驗證的臺架試驗時間和成本得到大幅度減少,產品的耐久開發效率得到有效提高。

1 試驗場路譜采集及臺架搭建

圖1 副車架與穩定桿結構Figure 1 Sub-frame and stabilizer bar structure

圖2 開裂位置局部放大圖Figure 2 Crack location detail view profile

副車架與穩定桿結構如圖1所示。在整車強化耐久路試進行80%過程中,穩定桿與副車架連接螺母附近出現開裂。開裂位置及局部放大圖如圖2所示。裂紋為穩定桿固定螺母垂向擠壓副車架本體鈑金所導致。開裂位置與穩定桿垂向交變載荷密切相關,路譜采集應重點關注連桿軸向受力和穩定桿扭轉相對位移。

1.1 應變片貼片及臺架標定

穩定桿連桿上部連接減振器下筒,下部連接穩定桿端部,其運動形式主要為沿懸架垂直方向的上下運動,其功用主要是將扭轉力傳遞到懸架從而抑制側傾,連桿力的標定如圖3(a)所示。當車輛行駛過程中左右輪心垂向位移發生差異時,穩定桿兩側端頭產生相對位移差,穩定桿繞副車架襯套點連線扭轉,抑制懸架跳動。穩定桿端頭的扭轉相對位移也是表征穩定桿系統受力及運動的關鍵載荷量。穩定桿扭轉相對位移標定如圖3(b)所示。

圖3 穩定桿標定Figure 3 Stabilizer bar calibration

1.2 試驗場路譜采集

將標定后的連桿和穩定桿裝配到整車上,依據整車強化耐久規范,按照規定的車速、規定的耐久路面及相關的行駛路徑完成一個循環強化耐久試驗,并采集相關數據。為減少數據離散偏差,路譜采集過程中需要在指定車速下至少采集3圈沒有毛刺、沒有噪聲干擾和溫漂的有效數據以備后續臺架試驗和仿真使用。特征路面包括比利時路、扭曲路、搓板路、砂石路、溝渠路等等。采集到的連桿力和穩定桿扭轉相對位移信號如圖4所示。

圖4 試驗場路譜Figure 4 Load spectrum on proving ground

1.3 試驗臺架搭建

副車架和穩定桿系統的臺架裝置如圖5所示,將副車架與車身連接點螺栓固定(三角所示),連桿上端與液壓缸缸頭相連接,采用力或位移輸入信號進行控制(箭頭所示)。

圖5 副車架穩定桿臺架Figure 5 Sub-frame and stabilizer bar test rig

以試驗場采集的試驗數據為基礎,以連桿力和穩定桿扭轉相對位移為期望信號,在臺架上迭代反求液壓缸激勵,保證臺架力的傳遞及響應同整車耐久路試一致。按照耐久規范進行臺架試驗至副車架與穩定桿支架連接處開裂。臺架開裂位置如圖6所示。

圖6 臺架副車架開裂位置Figure 6 Sub-frame crack location on test rig

從圖6可看出,臺架的失效位置和失效模式與整車強化耐久路試一致,物理臺架較好地復現了整車耐久路試的開裂。

2 虛擬仿真模型及仿真結果

2.1 多體動力學模型建模

根據物理臺架的約束邊界及液壓缸激勵條件,在Adams中建好相對應的多體模型。副車架采用柔性體,穩定桿采用Adams Beam梁建模,穩定桿和副車架襯套連接,連桿與穩定桿采用球鉸副連接[3-4]。副車架與車身連接點用固定副連接,在連桿上端加位移,模擬液壓缸的臺架激勵。多體動力學的虛擬臺架如圖7所示。

圖7 多體虛擬臺架模型Figure 7 MBS virtual test rig model

2.2 虛擬迭代的原理

虛擬迭代法[5]在本質上是非線性系統的逆求解問題。首先在整車短路試驗的基礎上測取系統的響應信號(位移、力、速度或者加速度等),然后利用響應信號求解系統的外部驅動載荷(在本文中為求解的連桿端頭位移)。虛擬迭代原理敘述如下。

(1)將多體動力學模型作為一個系統,輸入白噪聲信號u0(s)激勵系統產生響應信號y0(s),求得系統的傳遞函數,進而求出逆傳遞函數F-1(s)。

(1)

(2)以路試采集的信號作為目標信號yd(s),根據逆傳遞函數F-1(s)計算初始驅動信號為

u1(s)=F-1(s)yd(s)。

(2)

(3)初始驅動信號激勵多體動力學模型得到響應信號y1(s)。因為傳遞函數不能精確表征多體動力學模型,所以目標信號yd(s)與響應信號y1(s)之間存在一定的誤差。

(4)用修正算法將逆傳遞函數F-1(s)固定,通過式(3)進行反復迭代,直到響應信號與目標信號之間誤差滿足精度要求,停止迭代,即

uk+1(s)=uk(s)+F-1(s) [yd(s)-yk(s)]。

(3)

式中：yk(s)為第k次迭代響應信號;uk(s)為第k次驅動信號;k為迭代次數。

2.3 虛擬迭代

將動力學模型輸出成Adams/Solver Dataset可識別的 adm文件,在Femfat-LAB軟件中,輸入選擇連桿端頭的位移驅動,輸出選擇連桿力和穩定桿扭轉相對位移。以0～50 Hz的粉紅噪聲為激勵,求解出虛擬臺架系統輸入和輸出間的傳遞函數。

迭代過程中以試驗場路譜的連桿力和穩定桿扭轉相對位移為目標,通過不斷修正連桿端頭的位移輸入進行虛擬迭代,直到迭代的仿真期望值滿足目標及結果收斂,迭代終止。

2.4 疲勞仿真載荷結果分析

通過時域信號、頻域PSD、穿級計數及相對損傷的仿真和實測信號分析對穩定桿扭轉相對位移、左右側連桿力進行相關性評估。

比利時路由于行駛速度快、路面左右不對稱度高、循環次數多,對穩定桿系統損傷貢獻度占比為60%～70%;同時比利時路激勵頻率帶寬分布較廣,為0～40 Hz,迭代難度較大。故以比利時路為例重點做迭代說明。

圖8為穩定桿扭轉相對位移仿真值與測試值的對比。由圖8(a)可知,扭轉相對位移在比利時路面幅值為±60 mm,仿真相位和測試相位基本吻合但幅值略小。由圖8(b)的PSD譜可知,穩定桿扭轉相對位移出現在比利時路的頻帶主要為22 Hz以下;2～6 Hz時仿真的能量較測試稍低,可能是由于仿真穩定桿扭轉剛度相對于實際有偏差,穩定桿襯套只考慮靜剛度,未考慮襯套動剛度、損失角及阻尼所導致;但在6～22 Hz時比利時路主要頻率段仿真和測試的PSD能量分布基本重合。穿級計數主要是從疲勞統計角度評估載荷,由圖8(c)可知,位移仿真值和測試值在0～40 mm的幅值和重復數分布幾乎重合,但在40～60 mm的仿真值相對于測試值偏小,可能由于Adams生成的Beam梁穩定桿比實際的穩定桿扭轉剛度稍大所導致。但由表1可知,穩定桿扭轉相對位移的相對損傷為0.86,滿足相對損傷目標0.5～2.0的要求,仿真結果可接受[6]。

圖8 穩定桿扭轉相對位移對比Figure 8 Arb relative displacement comparison

圖9 左側連桿力對比Figure 9 Left droplink force comparison

圖9為穩定桿左側連桿力仿真與測試的對比。由圖9(a)可知,連桿力的幅值在±2.3 kN,仿真通道的幅值和相位與測試幾乎重合。圖9(b)的PSD對比表明,連桿的受力在比利時路上的頻率分布在22 Hz以內,主要頻率段仿真和測試的PSD能量分布基本重合。圖9(c)為考慮連桿力穿級計數的對比結果,整個范圍內幅值和重復數重合度良好。由表1可知,相對損傷均在1附近,仿真荷載和測試載荷對比精度非常高。右側連桿力的仿真和測試對比與左側基本一致,故不再說明。

表1 通道相對損傷對比Table 1 Relative damage comparison of channels

通過比利時路3個關鍵通道的對比分析,表明仿真和測試有著良好的相關性,多體虛擬臺架的載荷傳遞和運動狀態與物理臺架基本一致,風險位置載荷精度較高,可滿足后續有限元仿真需求。其他特征路面迭代仿真方法與比利時路面類似。將各路面最后一步迭代仿真結果作為疲勞載荷輸出,方便后續副車架的疲勞有限元分析計算。

3 疲勞壽命分析及風險位置改進設計

3.1 疲勞壽命有限元分析

在HyperMesh中對前副車架進行網格劃分及模型處理,賦予材料屬性,在Nastran中計算單位應力,結合多體仿真的連接點載荷,應用準靜態法進行副車架的疲勞分析計算[7-9]。仿真得出的路試開裂位置的損傷壽命如圖10所示。

圖10 開裂位置疲勞損傷圖Figure 10 Fatigue damage of crack location

關于風險位置在整車耐久路試、物理臺架試驗、虛擬仿真下的疲勞壽命對比如表2所示(壽命偏差比以整車強化耐久路試為基準)。

表2 風險位置的疲勞壽命對比Table 2 Crack location fatigue damage comparison

3.2 風險位置優化改進

風險位置的仿真疲勞壽命和整車耐久路試及物理臺架試驗較吻合,因此可以基于虛擬載荷進行副車架風險位置優化。改進穩定桿與副車架連接處的安裝支架結構,優化后的風險位置疲勞仿真失效時間達到1.5倍壽命,滿足耐久目標,后期優化結構的副車架順利通過了整車強化耐久路試。本文風險位置優化改進流程圖如圖11所示。

圖11 風險位置改進流程圖Figure 11 Crack location optimize process

4 結論

(1)本文針對整車強化耐久路試風險位置展開研究,通過物理臺架試驗及虛擬臺架仿真,建立起了整車耐久路試、物理臺架試驗、虛擬仿真三者之間較好的相關性。采用虛擬迭代的方法,虛擬臺架相關的測試通道仿真精度高,虛擬疲勞載荷輸入與整車耐久路試荷載和物理臺架試驗荷載的一致性較好,疲勞有限元仿真有效地復現了開裂位置及壽命里程,可以為相關車型耐久問題的解決提供思路。

(2)針對整車耐久路試出現的風險,基于路譜采集相關試驗數據,借助虛擬迭代的方法,極大地解決了仿真模型與實際物理系統的偏差問題,可以獲得風險區域較高精度的耐久載荷,保證疲勞仿真分析結果的準確性和可信性,也可用于借鑒處理其他系統的耐久問題。