基于道路谱的汽车底盘静强度分析

宋自力++刘俊红

摘要： 基于道路谱的半分析载荷对某汽车底盘进行静强度分析.采集实车在试车场各种恶劣行驶环境下的道路谱，作为整车动力学分析的载荷条件.建立刚柔耦合的整车多体动力学模型，基于柔性体模态应力恢复获取分析部件连接点的载荷，并作为有限元分析的输入载荷.应用惯性释放法进行静力学强度分析，得到底盘部件的应力分布特征，据此确定薄弱区域.相对于全分析载荷，半分析载荷的强度分析能更有效预测底盘部件薄弱区域.

关键词：

汽车； 底盘； 道路谱； 半分析载荷； 有限元

中图分类号： U463.1文献标志码： B

0前言

底盘零部件是汽车最重要最关键的组成部分之一，其强度和疲劳寿命在设计阶段必须给予足够重视.CAE可以在设计阶段预测底盘部件存在的局部强度不足、寿命过低以及焊缝和焊点布置不合理等问题.为保证汽车在恶劣的行驶环境下底盘不会发生开裂或在规定使用期限内不发生疲劳破坏，需要进行CAE强度分析和疲劳寿命预测.一般来说，底盘部件应先进行强度分析，当满足要求后再进行疲劳分析.但是，不论是强度分析还是疲劳分析，获得研究对象正确的边界载荷都是准确预测的关键.一些载荷获取技术如车轮力传感器（六分力传感器）、时域波形再现、虚拟试验场等，为获取底盘部件的边界载荷提供技术支撑.

底盘强度分析载荷按获取方式可分为全分析载荷和半分析载荷2种.全分析载荷通常又称为G载荷，是基于简单的车辆运动，在多体前（后）悬台架上模拟各种典型的极限静载工况，然后获取连接点载荷.这种方法依据设计经验，比较容易施行，适合使用在无样车和概念设计阶段，但也存在一定的局限性，即准确性和有效性不能保证.半分析载荷是将实测的轮心和动力系统载荷通过分析模型传输到整车的各个部分，然后获取部件载荷.与全分析载荷相比，半分析载荷要更准确可靠.本文详述半分析载荷的获取方法和过程，通过与全分析载荷的应力结果对比，说明半分析载荷对有效预测底盘部件薄弱位置的作用和优势.

1方法和过程

基于道路谱的底盘静强度分析流程见图1，包括道路谱采集、分析工况确定、多体动力学仿真和有限元模型静强度分析过程.道路谱的准确性和多体动力学模型的精度极大地影响最后的应力分析结果，因此需对其进行验证.

2道路谱采集

2.1信号采集和处理

采集实车在不同路面和性能道路上行驶的道路谱，包括石块路、修复路、鹅卵石路和坑洼路等.这些路面严重不平整，底盘承受很大的载荷.性能道路上的极限制动、极限转弯、极限转弯+制动等工况，底盘同样承受很大载荷.这些工况代表用户使用过程中可能会遇到的恶劣行驶环境，在设计阶段必须保证底盘满足强度要求.

采集4个轮心载荷的3个方向的力Fx，Fy，Fz和力矩Mx，My，Mz，六分力传感器测量方向和建立的整车坐标系关系见图2， y向测量力、力矩与整车坐标系y向反，其他一致；采集4个轴头、4个减震器上端的3向加速度，测量坐标系与整车坐标系相同；采集轴头与车身的相对位移和转向机位移，测量坐标系与整车坐标系相同.

对信号进行处理，包括单位转换、数据分割、滤波、去漂移和数据压缩以及信号转换等.数据压缩的目的是减少后期多体动力学仿真时间.信号转换是将无法直接测量的信号用间接测量值转换为目标值，如方向盘转角需要由齿条位移信号转换而来.根据路面不同特征对数据分割，得到实车不同恶劣路况的道路谱见图3，对位移信号进行低频滤波去除毛刺后见图4.

2.2信号验证

道路谱采集后需要验证信号准确性，方法包括通道间的相位和幅值关系验证、静载荷数据验证、轴头加速度与位移验证等.这里用车轮半径数据验证极限制动工况道路谱是否准确.

制动时无动力输出，应满足

My=-FxR+C（1）

式中：My为轮心扭矩；Fx为轮心纵向力；R为车轮滚动半径；C为常数项.对4轮My和Fx进行数据拟合，得到线性关系式

右前轮：My=-331.001Fx+77 360.9 （2）

左前轮：My=-345.182Fx-34 841.9 （3）

右后轮：My=-359.397Fx+1 033.1 （4）

左后轮：My=-367.332Fx+12 492.9 （5）

得到4轮滚动半径依次为331，345，359和367 mm.由于载荷分配不可能完全一致，所以4轮滚动半径有差别，但基本在350 mm左右，说明道路谱准确性较好.

1—窨井路；2—减速坎；3—铁道口；4—水泥修复路；5—水泥破损路；6—方坑甲；7—铁饼路；8—方坑乙；9—鱼鳞坑；10—多种石块路；11—卵石路；12—扭曲路；13—搓板路；14—规则石块路

3分析工况确定

经过数据采集和后处理，一共获得实车20多种恶劣工况的道路谱，从中选取载荷最大的几种工况.基于所有工况的六分力数据中的最大Fx，最大Fy和最大Fz，综合比较确定5种典型工况，见表1.

4多体动力学仿真

4.1多体动力学仿真输入

建立多体动力学模型，考虑部件变形对仿真结果的影响，用柔性体建立副车架、摆臂和转向节等部件，形成整车刚柔耦合模型，见图5，车辆坐标系与图2整车坐标系保持一致.柔性体模型（模态中性文件MNF）用模态综合法在OptiStruct中计算生成.以24个六分力载荷数据和1个方向盘转角数据，共25个通道输入多体模型，模拟整车在道路上运动的受力状态.对于前轮驱动，前轮My正信号来自于动力总成输出扭矩，非路面造成，所以My只用负信号输入.后轮不可能产生向前驱动的扭矩，My出现正信号可能是误差所致，也只用负信号输入.输入方向盘转角信号修正纵向力和横向力.

4.2整车刚柔耦合模型的验证

多体动力学模型精确与否直接影响载荷的求解结果，有必要进行模型校核和参数修正，先静态校核后动态校核.由于阻尼等参数有很大的不确定性，造成模型精度不够，动态校核就是不断修正这些参数，以达到相同激励下多体动力学和物理样车的响应一致.工况1道路谱的激励下，多体动力学仿真的轴头加速度、位移的响应值见图6和7，由此可知：仿真计算与实测值一致性较好；位移标准差误差为11.1%，均方根误差为0；加速度标准差误差为12.3%，均方根误差为12.3%，说明多体模型精确性较好.

4.3连接点的载荷提取

多体仿真可以得到分析部件（以前副车架为例）连接点的载荷谱.工况1下副车架连接点的载荷谱见图8.对前副车架进行模态分析得到第1阶模态为150 Hz，表面某测点的应变功率谱密度曲线见图9.由此可知：载荷主要在30 Hz以内，低于最低模态的1/4，所以可以不考虑载荷谱激励下的动态响应，采用静力学方法分析其强度即可.从连接点载荷谱中提取 “代表性载荷”作为有限元模型的边界输入.

模态中性文件中包含主模态矩阵和约束模态矩阵，用模态矢量和模态坐标的线性组合表示弹性位移，通过缩减阵型减少自由度，达到减少计算量的目的.为保证一定精度，写入的模态数量不能过少.柔性体的节点应力可以通过Admas/Durability按照模态应力恢复（ Modal Stress Recovery，MSR）算法计算得到，但需要在生成模态中性文件时将模态应力矩阵也写入.通过MSR得到的某节点应力历程见图10，显示应力跟随载荷激励而变化.通过Durability/Hotspot找到仿真过程中应力最大的前10个位置及其相应时刻，提取10个时刻的所有连接点载荷，作为“代表性载荷”用于有限元静强度分析.

模态综合法缩减部件有限元模型的自由度数量，对动力学有限元分析提高仿真效率具有重要作用，但某些情况下模态应力恢复的精度会因此降低.有限元分析中，获取准确的应力梯度场通常比获取准确的位移场和模态需要更细的网格和更多的自由度 [8]，缩减自由度显然对应力精确性的影响要大于位移和模态.相对于MSR，运用MSC Nastran对有限元模型进行静态应力恢复，因为没有缩减模型自由度，因而应力精确性更有保证.

5有限元静力学强度分析

用惯性释放法对前副车架在5种工况下进行静强度分析，每个工况都需要在10个“代表性载荷”下考察其应力水平.分析结果只有在工况1下应力较大，存在2处薄弱区域需给予关注.工况1在t=10.67 s载荷下的应力分析结果见图11a，发现一处的应力达到452 MPa，超过材料抗拉强度440 MPa，开裂风险很大.工况1在t=7.39 s载荷下的分析结果见图11b，显示焊缝端的应力为1 047 MPa，由于此处出现应力奇异[9]，真实的应力不应该那么大.周围单元的名义应力[10]显示为467 MPa，所以焊缝处的材料强度仍然不足，开裂风险也很大.前副车架在路试后的开裂照片见图12，开裂部位与图11所预测位置吻合.

制动1g全分析载荷下的应力分析结果见图13，与半分析载荷应力相比，薄弱位置与图11a相同，只是结果偏大，但焊缝处应力显示为290 MPa，表明该处存在的薄弱问题未从此结果中反映出来.

紧急右转弯+制动工况下的右前转向节应力分析结果见图14.半分析载荷下的最大应力位于图14a所示区域，达到399 MPa，小于材料抗拉强度500 MPa，说明能满足使用要求.全分析载荷下相同位置的应力达到577 MPa，超过材料抗拉强度，说明不能满足要求.最终路试结果未见转向节破坏，与半分析载荷分析结果吻合.表明基于道路谱半分析载荷的强度分析对底盘部件应力预估、薄弱区域预测更全面准确，而基于全分析载荷的分析方法具有明显局限性.

6结论

1）通过在试车场实车采集，获得各种恶劣工况下的道路谱，从中选取载荷较大的5种典型工况，用以考察底盘强度.

2）建立精度较好的整车刚柔耦合多体动力学模型，以道路谱为边界载荷，基于柔性体模态应力恢复，提取前副车架在每个工况下的10个代表性载荷.

3）用惯性释放法对前副车架、转向节进行有限元强度分析，分析结果预测的2处薄弱位置与路试结果一致.通过比较，基于道路谱半分析载荷的底盘静强度分析比基于全分析载荷更能有效预估应力和预测薄弱区域.

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（编辑武晓英）