基于实测路谱的比利时路面载荷预测与试验对比研究

王长明 曹正林 李响 刘再生 赵晋

（中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车振动噪声和安全控制综合技术国家重点实验室）

基于实测路谱的比利时路面载荷预测与试验对比研究

王长明 曹正林 李响 刘再生 赵晋

（中国第一汽车股份有限公司技术中心汽车振动噪声和安全控制综合技术国家重点实验室）

基于某C级轿车实测数据在ADAMS/car中建立了整车多体动力学模型和虚拟2D比利时试验场路面模型，并以该路面耐久性行驶工况为输入条件，结合多体仿真、载荷虚拟迭代和道路载荷数据采集等技术获取了路面车辆的工作载荷。试验结果表明，比利时路面载荷预测仿真结果与测试结果在时域、幅值频次趋势基本一致，该方法可有效预测比利时路面车辆的动态载荷，同时可为整车及零部件的疲劳寿命分析和结构优化提供载荷输入条件。

1 前言

目前，国内外汽车厂家为达到减少道路试验及台架试验次数、缩短产品研发周期及降低研发成本，通常采用多体仿真的方法为整车及零部件的疲劳分析提供载荷输入，利用该方法计算载荷的过程称之为载荷预测。载荷预测技术包括道路载荷数据采集（RLDA）、多体仿真（MBS）、载荷虚拟迭代（LVIT）和虚拟道路载荷数据采集（VRLDA）等。

开发设计阶段获取载荷数据的途径之一是CAE仿真，主要采用半解析法和完全解析法[1～5]。半解析法与试验结果吻合较好，分析结果精度较高；完全解析法需要建立高精度整车模型和数字化试验路面模型，因此其在汽车产品设计开发中还处于初步探索阶段。

本文以大量实车样件测试数据和比利时路面高程数据为参数输入，在ADAMS/CAR中建立了某C级轿车整车多体动力学模型和虚拟2D比利时试验场路面模型，用上述2种方法进行了后悬架模型动态特性台架试验和整车模型比利时路面的仿真计算，并分别与台架试验结果和试验场比利时路面的测试结果进行了对比，验证了该计算模型的仿真精度。

2 比利时路面谱和试验车载荷谱采集

2.1 比利时路面谱采集与数据处理

在一汽农安汽车试验场耐久试验路的比利时路段进行路面谱采集[6，7]。由于所采集的路面高程数据存在零漂、野点和趋势项等问题，所以必须对数据进行预处理。

根据GB7031—86《车辆振动输入路面不平度表示方法》的建议进行数据预处理，GB7031—86中规定采用垂向位移单边功率谱Gq（n）和时间功率谱Gq（f）来描述道路不平度的统计特性：

式中，n为空间频率；n0为参考空间频率，为0.1 m-1；Gq（n0）为参考空间频率n0时的路面功率谱密度，即路面不平度系数；ω为频率指数；f为时间频率；v为车速。

图1为数据预处理前、后比利时路面信号对比结果，可见处理后的路面谱数据能够真实反映实际道路的路形情况[8～10]。

2.2 试验车载荷谱采集

在一汽农安汽车试验场的比利时路段上进行试验车道路载荷数据采集（RLDA），主要测试参数见表1。采集完成后，对载荷谱数据进行预处理使其可直接用于模型验证分析。

表1 测试参数

3 虚拟试验场道路载荷数据采集

利用完全解析法实现虚拟试验场道路载荷数据采集（VRLDA）仿真分析，采集流程见图2。

3.1 整车多体动力学模型

3.1.1 模型参数获取

整车多体动力学模型参数主要来自试验数据和整车设计目标值，为此，对影响仿真精度的主要参数进行了实车及底盘弹性件的台架试验测试，图3～图5为部分试验测试装置和部分试验结果。

3.1.2 整车仿真模型的建立

根据获取的整车多体动力学模型参数，在ADAMS/CAR中建立了试验车整车多体动力学模型，如图6所示。整车模型中包含车身、前悬架、后悬架、动力总成、转向系统和轮胎模型等，表2为满载状态下整车试验轮荷与计算模型轮荷对比。

表2 满载状态下整车试验轮荷与模型计算轮荷对比kN

3.2 数字化试验路模型

数字化试验路的轮廓以实际采集比利时路段高程信号（即路面不平度）的预处理数据为输入，在ADAMS/CAR中建立了350 m长的2D数字化比利时路面模型。

3.3 驾驶员模型

为保证数据采集过程中车辆通过试验场各典型路段时均为匀速行驶，根据试验数据采集特点，采用驱动控制文件的方式控制整车模型的运动行为。驱动控制文件通过驾驶员模型控制转向、油门、制动以及变速器和离合器模型参数来实现驾驶目标事件的整车模型运动行为[11]。

驾驶员模型的控制目标是保证整车模型沿比利时路面匀速直线行驶，目标车速为实际比利时道路试验车速的平均值。

3.4 仿真计算

根据所建立的整车多体动力学模型、数字化比利时路面模型和驾驶员模型对虚拟道路行驶工况进行仿真计算，计算完成后将每个铰接点的载荷提取出来，得到虚拟比利时道路载荷谱数据。

4 仿真与试验的对比验证

4.1 整车模型的动态特性验证

对整车多体动力学模型进行了除轮胎模型外的对比试验验证，鉴于篇幅仅以后悬架总成的模型验证为例进行说明。

对测试六分力数据进行编辑得到多轴台架试验驱动谱[12]，以该驱动谱为输入，通过半解析法中的载荷虚拟迭代技术实现对后悬架总成的虚拟台架试验的驱动；再通过仿真分析结果与台架动态试验测试结果的对比来验证仿真计算模型的精度。图7和图8分别为台架试验和仿真计算的前下控制臂连杆轴向载荷的时间历程信号及其穿级计数对比，图9为台架试验和仿真计算的3个连杆轴向载荷的相对损伤对比。

由图7～图9可看出，台架试验结果与仿真计算结果在时域、幅值频次和相对损伤等方面一致性较好，说明由实车测试参数建立的后悬架总成多体动力学模型的精度较高，可依据此进行比利时路面载荷预测。

4.2 比利时道路仿真与试验结果对比

表3为实际道路测试的车轮垂向力、轴头加速度和螺旋弹簧位移与比利时道路仿真计算结果的标准差值对比，图10为左前轮垂向力时间历程信号的测试与计算结果对比，图11为穿级计数的测试与计算结果对比，图12为测试与计算的左前轮垂向力、轴头加速度和螺旋弹簧位移的功率谱密度的对比，图13为测试与计算的车轮垂向力、轴头加速度和螺旋弹簧位移数据结果的相对损伤值比较。

由表3和图10～图13可知，仿真与测试结果在标准差值、幅值频次和相对损伤等方面一致性较好，说明由实测路面谱建立的2D虚拟试验场路面可较好地体现实际路面不平度的统计特性。但仿真和测试结果在时域和频域内还存在一定的误差，引起误差的原因主要是整车模型存在大量刚体简化，同时未考虑衬套的动态特性与轮胎模型的动力学特性误差较大的问题。

表3 测试与计算结果的标准差对比结果

5 结束语

基于实车实测数据在ADAMS/car中建立了某C级轿车多体模型和虚拟2D比利时试验场路面模型，并以该路面耐久性行驶工况为输入条件，结合多体仿真、载荷虚拟迭代和道路载荷数据采集等技术，进行了路面谱、车辆载荷谱和整车模型参数的测试与试验，并对其进行仿真模拟计算。通过仿真结果与测试结果的对比，表明该方法可有效预测比利时路面车辆的动态载荷，通过该方法得到的载荷可作为产品设计初期整车与零部件的疲劳寿命分析和结构优化的载荷输入条件。

1李飞，郭孔辉，等.汽车耐久性分析底盘载荷预测方法研究综述.科学技术与工程，2010，10（24）：5960～5964.

2 Joselito Menezes da Cruz.A Semi-Analytical Method to Generate Load Cases For CAE Durability Using Virtual Vehicle Prototypes.SAE，2003-01-3667.

3徐刚，周鋐等.基于虚拟试验台的疲劳寿命预测研究.同济大学学报，2009，37（1）：97～100.

4 Daeoh Kang，Seungjin Heo and Hoiyoung Kim.Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method For VPG Simulation.SAE，2009-01-0814.

5邵建，董益亮，等.基于多体模型仿真的载荷谱虚拟迭代技术分析.重庆理工大学学报，2010，24（10）：84～87.

6韩毅.中国典型汽车道路谱数据采集与处理研究：[学位论文].北京：清华大学，2010.

7刘再生，霍福祥，等.基于路谱输入的汽车台架耐久性试验方法研究.汽车技术，2010（9）：47～50.

8石峰，段虎明，等.路面不平度的测量.武汉理工大学学报，2010（3）：406～410.

9韩毅，杨殿阁，等.基于路形测量的车载道路谱检测仪研究与实现.中国汽车工程学会年会论文集，2009: 770～774.

10段虎明，石峰，等.道路路面的刨面的测量研究与实践.振动与冲击，2011，30（3）：161～164.

11 Adams/SmartDriver help

12刘再生，霍福祥，等.轿车悬架台架多轴疲劳试验载荷开发.汽车技术，2012（6）：47～50.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2014年3月4日。

Research on Belgian Road Load Prediction and Experimental Study Based on M easured Road Profile

Wang Changming，Cao Zhenglin，Li Xiang，Liu Zaisheng，Zhao Jin
（ChinaFAWCo.，Ltd R&DCenter，StateKey LaboratoryofTechnologyon AutomobileVibrationand Noise&Safetyand Control）

A multi-body dynamics model of a C-class car and a 2D virtual Belgian road model are built in Adams/ car based on the measured data，and the durability driving conditions are used as input condition.The workload of the road vehicle is obtained by the combination of technologies like multi-body simulation，load virtual iteration and the road load data acquisition and etc.The test results indicate that the Belgian road load predication&simulation results and test results are basically consistently in time domain，amplitude frequency trend，this method can effectively predict the dynamic loads of the vehicle on the Belgian road.Meanwhile，this method can also be used in fatigue life analysis and structure optimization of the vehicle and components as input load condition.

Digital Road,Load Prediction,MBS

数字化路面载荷预测多体仿真

U461.5+2

A

1000-3703（2014）08-0046-04