基于MotionView整车虚拟试验场仿真的后转向节强度分析

徐新新　宋峰　王瑞锋

摘要：

由于车辆行驶状况复杂多样，传统静态工况无法复现各类恶劣路况下后底盘转向节真实应力，因此在利用MotionView建立整车刚柔耦合多体动力学模型的基础上，将后转向节利用柔性体进行模拟；在进行虚拟试验场仿真分析的同时采用模态综合法计算结构动应力，得到后转向节最高应力位置及发生时刻.仿真结果与整车道路试验结果的对比表明仿真方法准确.

关键词：

汽车； 转向节； 动应力； 模态综合法； 刚柔耦合； 惯性释放； 应变片； 虚拟试验场

中图分类号： U462.2

文献标志码： B

Abstract：

Due to the complex vehicle driving conditions， the actual stress of chassis steering knuckle under various bad road conditions can not be forecasted correctly by the traditional static load conditions. A rigidflexible coupling multibody dynamics model is built by MotionView， in which the rear steering knuckles are simulated as flexible bodies. The virtual proving ground simulation analysis is done while the dynamic stresses are calculated by modal synthesis method， and the location and occurring time of maximum stresses of rear steering knuckles are identified. The comparison between simulation results and the results obtained by road test for whole car shows the correctness of the simulation method.

Key words：

automobile； steering knuckle； dynamic stress； modal synthesis method； rigidflexible coupling； inertia relief； stain gauge； virtual proving ground

0引言

转向节是底盘的重要构件，连接着车轮以及悬架总成，其不仅承受地面对车轮的垂向冲击，而且承受车辆转弯或制动时产生的横向和纵向力以及力矩，因此转向节的强度性能直接影响汽车行驶的安全性和可靠性.传统的转向节强度分析方法主要通过静态工况进行仿真分析，但静态工况加载比较单一，难以复现汽车在坏路上行驶时转向节的真实受力情况.本文利用MotionView多体动力学软件建立整车刚柔耦合模型，通过整车虚拟路面仿真提取仿真过程中转向节最大应力，评判转向节强度性能，最后通过与转向节贴片试验进行应力对比验证仿真方法的准确性.

1模型定义

1.1转向节柔性体生成

使用MotionView软件中的FlexTools模块，根据转向节bdf格式有限元模型，选用CraigBampton模态综合法，并设置输出转向节应力应变信息，生成h3d格式的转向节柔性体文件，生成界面及柔性体模型见图1.

1.2整车模型搭建

在MotionView软件中建立整车模型[1]，包括前、后悬架系统，转向系统，传动系统，车身，动力总成和轮胎.在建模过程中保证衬套、减振器、弹簧以及限位块等弹性元件的参数设置与实测值相同，硬点坐标及各底盘部件质量惯量可直接在数值模型中进行量取，搭建完成的整车质量质心参数与实车保持一致，根据轮胎的力学特性数据拟合轮胎模型，并制作轮胎属性文件[24]，最后将整车模型中转向节的刚体模型替换为柔性体.建立的整车刚柔耦合模型见图2.

1.3路面模型搭建

使用等效容积法[5]在有限元软件中对比利时路、鱼鳞坑路、圆饼路和点坑路进行建模，并转换为

rdf格式虚拟试验场路面文件，建立的路面模型见图3.

2.2仿真结果

通过整车虚拟路面仿真可输出转向节各时刻最大应力随时间变化曲线及最大应力时刻转向节应力云图，见表2.

由表2仿真结果可知：在点坑路工况下，转向节出现最大应力203 MPa，小于转向节材料的屈服极限，满足强度设计要求.

3动应力分析方法精度验证

4试验验证

在转向节表面粘贴应变片.由于各路段转向节最大应力位置处不易贴片，故选用较平整位置进行贴片，在后悬转向节贴4个应变片，编号为1～4号.采集转向节贴片处应变[9]曲线，通过计算获取转向节各路段贴片处最大应力，并与整车虚拟路面仿真获取的各路段贴片位置处应力最大值进行对比，结果见表4.1号应变片与3号应变片试验应力结果小于30 MPa，所以不列入对比结果表；此外，点坑路工况试验危险度较高，出于车辆及人员安全考虑，未进行该路况试验.

由表4可知：3种路况下仿真与试验结果应力幅值最多相差6 MPa，且差异均在14%以内，可验证模型搭建以及仿真方法的准确性.考虑到仿真与试验的差异，将虚拟试验场动应力分析所得最大应力203 MPa上浮14%后为231 MPa，仍小于转向节材料屈服极限，故认为结构设计满足恶劣路况行驶强度要求.

5结论

（1）利用整车刚柔耦合模型，仿真计算车辆在坏路上行驶时转向节的应力，结果显示各工况下转向节应力幅值均小于其屈服强度，转向节不存在强度破坏风险，仿真分析结果为转向节设计提供支持.

（2）提取最大应力时刻转向节各安装点载荷，在有限元模型中进行惯性释放分析，各工况应力计算结果与整车仿真柔性体直接提取应力结果一致，验证模态综合法动应力分析的准确性.

（3）通过贴应变片进行实车道路试验，仿真与试验结果差异在14%以内，验证模型搭建以及仿真方法的准确性，虽未采集点坑路工况下转向节应力，但基于其他工况仿真精度来看，点坑路况时结构可满足强度设计要求，其结果可作为考察转向节应力性能依据.

（4）转向节失效形式不仅包括强度破坏，还有可能疲劳失效，除动应力分析外，整车虚拟试验场仿真方法还可提取结构各安装点动态载荷作为疲劳计算[10]输入，从而达到零部件性能提前验证、缩短整车开发周期的目的.

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（编辑武晓英）