虚拟试车场技术预报载货汽车底盘耐久性研究.pdf

试验 测试 虚拟试车场技术预报载货汽车底盘耐久性研究 曹正林程稳正 霍福祥魏德 永 ( 中国第一汽车集团公司技术中心) 【 摘要】 针对载货汽车开发过程中传统耐久性试验周期长、 费用高的缺点， 以某耐久性试车场道路为输入条件 ， 应用虚拟试车场技术 ( V P G) 建立 了整车虚拟仿真模型 ， 模拟分析载货汽 车底 盘动应力响应 ， 并 与相同路况下的实车 试验测试结果进行 了对 比研究 。 结果表明 ， 测试结果与 V P G模拟结果在时域与频域 上的趋势基本一致 。 在此基础上 ， 运用疲劳分 析软件 F E M F A T 4 7实现了对载货汽 车底盘耐久性 的有效预报 。 主题词： 载货汽车底盘耐久性虚拟试车场 中图分类号 ： U 4 6 7 4 + 9 7 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 3 7 0 3 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 5 1 0 3 S t u dy o n Tr u c k Ch a s s i s Dur a bi l i t y Us i ng Vi r t ua l Pr o v i ng Gr o un d Ca o Z h e n g l i n ， C h e n g W e n z h e n g ， Hu o F u x i a n g ， W e i De y o n g ( Ch i n a F A W Gr o u p C o r p o r a t i o n R&D Ce n t e r ) 【 A b s t r a c t T o a d d r e s s t h e d i s a d v a n t a g e s o f t r u c k d e v e l o p m e n t s u c h a s p r o l o n g e d d u r a b i l i t y t e s t c y c l e a n d h i g h d e v e l o p m e n t e x p e n s e ， w e h a v e u s e d v i r t u a l p r o v i n g g r o u n d( V P G ) t e c h n i q u e t o e s t a b l i s h a v i rt u a l v e h i c l e s i m u l a t i o n mo d e l wi t h r o a d o f a d u r a b i l i t y p r o v i n g g r o u n d a s i n p u t c o n d i t i o n s t o s i mu l a t e a n d a n a l y z e d y n a mi c s t r e s s r e s p o n s e o f a t ru c k c h a s s i s a n d c o mp a r e d i t wi t h t e s t r e s u l t s o f r e a l v e h i c l e t e s t u n d e r t h e s a me r o a d c o n d i t i o n s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t r e s u l t s a r e b a s i c a l l y i d e n t i c a l w i t h VP G s i mu l a t i o n r e s u h s i n t h e t i me d o ma i n a n d f r e q u e n c y d o ma i n t r e n d On t h i s b a s i s ， f a t i g u e a n a l y s i s F E MF AT 47 i s a p p l i e d t o r e a l i z e e f f e c t i v e p r e d i c a t i o n o f t ruc k c h a s s i s d u r a b i l i t y K e y wor ds： Tr uc k，Cha s s i s ，Dur a b i l i t y，Vi r t u al pr ov i n g gr ou nd 1 前言 久性的有效预报。 随着市 场竞 争 的 日趋 激烈 国 内外 汽车 生产 厂 商都在通过缩短产品研发周期 、 降低产品成本、 提高 产品耐久性 的手段来提高竞争力 其中耐久性是影 响其竞 争力 的主 要 因素 ， 同时 由于 汽车 产 品开发 周 期与成本的要求 迫切需要在产品概念设计阶段对 其 耐久 性进 行控 制 为此 国外 各 大汽 车公 司开展 了汽车试车场耐久性试验条件下耐久性仿真研究 A r v i n Me r i t o r公 司 运 用 虚 拟 试 车 场 ( V P G。 V i r t u a l P r o v i n g G r o u n d ) 技术 对 载货 汽 车底 盘 系统 耐 久性 进 行 了 预 报 并 用 试 验 方 法 对 所 得 结 果 进 行 了 验 证 ， 该 技术 得 到广 泛应 用【 1 】 ： MI R A 公 司运用 V P G技 术对轿车整车耐久性进行 了预报 ， 取得较好效果 2 1 V P G技术研究的投入和基础技术要求较 高 涉及到 分析 、 测试与试验技术的密切配合 ， 我国对此开展的 研究 较 少3 本文 以某试车场耐久性道路为输人条件 应用 虚拟试车场技术建立整车虚拟仿真模型 模拟分析 载货汽车底盘动应力响应 并与相同路况下的测试 结果进行了对 比研究 。在此基础上运用专用疲劳 预报 软件 F E MF A T实现 了整车开发过程 中底盘耐 2 0 1 0年第 2期 2 虚 拟试 车场技术基本理论 整车虚拟试车场技术耐久性模拟是一个高度非 线性的动态过程 一方面零部件之 间的连接关系复 杂 ， 既包 含零 部件 之 间 的接触关 系 。 也包 含运 动 副连 接关系 ； 另一方面 ， 因分析是建立在底盘基础上的 需要考虑的零部件及总成较多 ， 导致计算模型较大： 再者车辆在耐久性路面上行驶的速度较慢 造成计 算时间历程长 。这些因素导致很难快速而准确地进 行 VP G技术模拟 ， 因而如何将这一复杂 问题利用数 学方程描述并利用计算机求解值得探讨 系统 的动 力方 程为 ： MO O) + C ( ) + 尺( ) = P ( ) ( 1 ) 式 中 ， 、 C分别 为 系统质 量及 阻 尼 ； O ( t ) 、 u( t ) 、 R( t ) 分别为加速度、速度和恢复力，若为线性系统则 R( f ) ： ) ( 其中 为刚度， 0 ) 为位移) ； ) 为系统外力。 求解式( 1 ) 的方法有显式积分法和隐式积分法。 a 显 式 积分 法 中心差 分 法得 到 的迭代 方程 为 ： K + = ( 2 ) 一 5l 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 测试 其 = + 击 _P 击 C U i l_ R i+ (2 f )M 2 u i b 隐式 积分法 利用 N e w m a r k - 法得迭代方程为 ： K A U = A P i ( 3 ) 其 中 ， M z+ = +0 + 6 M + c 6 = 等 ( 一 ) 由上述 动力 方程 的解法 可知 若采用 隐式 积分方 法求解式( 3 ) ， I KC P 含有 K矩阵， 则在每一时间步求 解过程中都需要做矩阵求逆运算 这对于大模型或极 度非线性问题求解是非常困难的。但如果采用显式积 分法求解式( 2 ) ， 则在计算过程中不需要非线性刚度矩 阵求逆， 因此解此类问题具有很高的效率。利用式( 2 ) 求得位 移响应 然后 根据有 限元理论基本方程 即可求 得应变 、 应力 响应 。因此 ， V P G技术采用 L S D Y N A程 序的显式算法作为求解器进行求解计算。 3 载货汽车有限元模型的建立 3 1各总成 计算 模型 建立 轮胎的计算模型采用 E T A的动力学轮胎模型 根 据实际参数调整校核模型。考虑一些部件( 如驾驶室、 发动机、 车箱和货物等) 的质量对底盘载荷的影响 ， 在 模型上施加集中质量单元 或考虑质量后 刚体化处理 。 悬架 系统 的部 分零件 是通 过运 动副 的作用 来传 递载荷的 由于运动副载荷传递途径复杂 ， 有限元建 模 时将运 动副 简化 为铰链 内部摩擦 与 间隙不 计 。 前 悬架系统的铰接模型如图 l 所示 后悬架系统 的铰 接模 型如 图 2所 示 1 7 、 1 0 旋转铰8 圆柱铰9 球铰 图 1 前悬架运动副模 型 l 5 旋 转 铰6 圆柱 铰 图 2 后悬架运动副模 型 板 簧 是 由 多 个 零 件 组 装 在 一 起 的 复 杂 模 型 。 模拟 分析暂 不考虑 板簧 的应力 因此 可将板 簧 做 如 图 3所 示 的 简 化 ，按 照 试 验 的 方 法 计 算 板簧 的 刚度 ，调整有 限元模 型参 数使 其 刚度 与 试 验 测 试 的 刚 度 一 致 ( b ) 后 板 簧 校 核 图 3板簧刚度校核 试 验 中测 得 的减振器 的特 性 曲线表 现为 1 组 回 滞曲线 ， 不符合有限元模型的参数输入要求 计算模 型将回滞曲线拟合为一单调增非线性 曲线 如图 4 所 示 拟合曲线 1 0 8 6 圣4 2 0- o s- o ) 0 2 O 4 O 6 O 8 1 v m s 一 0 图 4减 振 器 特 性 拟 合 曲线 试 车 场 路 面模 型 是 V P G仿 真 道路 行 驶 试 验能 否再现 实车试 验 、试验 结果 能否 真实反 映实 车零部 件受载情况的关键l4 1 。为了同试验测试结果对 比， 建 立了某试车场耐久性标准路面的有 限元模型 。 3 2 整 车模 型组装 将 轮 胎 、 路 面 、 前悬 架 系统 、 后 悬 架 系 统 、 驾 驶 室、 车箱及货物等组装在一起 ， 构成整车道路耐久性 试验模拟模型 计算模型如图 5所示。 计算模型的外 部载荷为重力加速度和车辆行驶速度 。约束施加在 路面上 计算时采用质量缩放法将最小时间步长控 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材 料 工 艺 设 备 Mi s s 应力峰值为 2 2 3 MP a ，也没有超过材料的屈服 极 限 但 其应 力梯 度 比较 明显 ，由于有加 工 工艺 凹 槽 进一 步加 重 了应力 集 中 ， 因此 该处 抗疲 劳破 坏 能 力相对较差 也是引起差速器壳断裂失效 的主要部 位 和主要 原 因 图 7 1 8倍载荷下的应力云图 5 结束语 通过 对差 速器 壳 的失效 模式 分 析 、材 料试 验 分 析和静强度仿真分析表 明： a该差 速器 壳 侧 连接 壳 臂处 和 安 装止 口圆 角 处 的应 力偏 大 。 虽然没 有 超过材 料 的安 全屈 服极 限 ， 但是在试验过程 中受到交变载荷的作用 ，是引起疲 劳断裂失效的主要原因之一。 b 该差速器壳的铸造球化等级及硬度不满足 材料要求也是引起断裂失效的原因，但不是断裂失 效 的主 要原 因 。差速器壳断裂失效样件 的失效模式分析与 仿真力学性能结果一致 进一步确定了分析方法 的 有效 性 和正 确性 参 考 文 献 1 刘 惟 信编 著 汽 车 车桥 设 计 北 京 ：清 华 大学 出版 社， 20 04 2 赵腾 伦编著 A B A Q U S 6 6在机械工程 中的应用 北京： 中 国水利水 电出版社 2 0