基于虚拟迭代方法的后扭力梁载荷谱提取

龚春辉 葛文韬 段龙杨 王祖建

摘 要：建立了整车动力学模型，以试验场采集的轮心六分力为激励信号，以实测轴头加速度和弹簧位移为目标信号，运用虚拟迭代方法反求出轮胎接地点处的位移激励，驱动整车模型进行仿真分析，从时域、损伤域、幅值域和频率域多方面对仿真输出结果与实测信号进行了对比分析，结果表明仿真结果与实测信号对标良好，提取了后扭力梁连接点的载荷谱，为后期零部件的疲劳分析提供了输入条件。

关键词：整车动力学模型；轮心六分力；虚拟迭代；载荷谱

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-54-04

Abstract： The full vehicle model was built and wheel center six-component forces which has been acquired from proving ground are taken as excitation signal. The hub acceleration and spring displacement are taken as target signal. The displacement excitation of tire contact patch was back-calculated by applying virtual iteration method， the simulation analysis of full vehicle model was motived， and comparison analysis of simulation result and measurement signal were conducted from multi-aspects， including time domain， damage domain， amplitude domain and frequency domain， the analysis result has shown that simulation result and measurement signal were calibrated well. The load spectrum at interface points of rear twist beam has been extracted， which was used as the input of automobile parts fatigue analysis.

Keywords： full vehicle dynamic model； six-component force on wheel center； virtual iteration； load spectrum

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-54-04

引言

扭力梁后懸架具有结构简单、便于拆装、占据空间少以及簧下质量小等优点[1]，广泛应用于A级及A0级轿车后悬系统中。后扭力梁是后悬架系统中重要的承载部件，需要承受路面通过轮胎、弹簧、限位块及减振器等零部件传递的力和力矩，易发生疲劳失效[2]，因此很有必要在设计阶段对后扭力梁进行疲劳耐久验证。

传统的汽车零部件疲劳耐久性能评估方法是整车试验场道路耐久性试验，此方法虽然是最直接且有效的方法，但试验周期长且费用高，如若出现疲劳失效问题，需重新进行设计变更，并重新进行道路试验。因此，国内外各汽车厂商均采用计算机虚拟仿真分析方法对关键部件进行疲劳分析，而疲劳分析的关键点在于此部件的连接点载荷的准确性，但扭力梁受力情况复杂，其连接点载荷很难通过试验直接获得，故只能通过采用基于多体动力学的方法来提取的扭力梁连接点的载荷谱[3]。

对于利用多体动力学方法提取载荷谱的方法，近年来研究的热点是虚拟试验场技术，此技术有三项关键输入条件：柔性轮胎模型、3D数字路面以及驾驶员控制模型[4]，柔性轮胎模型需通过轮胎与路面的摩擦特性试验、胎体变形等本体特性试验获得；3D数字路面需应用3D道路测量系统激光扫描路面，逆向建立路面模型；驾驶员模型需以试验采集的路面轨迹为目标进行闭环控制，整套技术的难度和成本投入巨大，因此目前本文采用虚拟迭代方法来提取后扭力梁连接点的载荷，通过采集样车的轮心六分力、弹簧位移及轴头加速度等信号作为目标信号，反向推导轮胎接地点的位移激励，用于驱动动力学模型进行仿真分析，回避了虚拟试验技术中的路面扫描建模、复杂轮胎和驾驶员模型等问题。

1 道路载荷谱采集及零件标定

道路载荷谱采集是为了获取车辆在路面不平度激励下的各种响应信号，信号一般包含力、力矩、加速度、应变等，采用通道的分配情况如表1所示，图1为轮心六分力测量，图2为轴头加速度测量，图3为弹簧应变测量，图4为转向横拉杆应变测量。采集工作在国内某汽车试验场内进行，采集的重量状态为半载和满载，采集道路为强化路面与坡道，路面信息如表2所示。

弹簧的标定使用力标定法，如图5所示，通过标定获得弹簧应变与弹簧位移之间的线性关系，最终将弹簧的应变信号转换成位移信号（以共振路2为例），如图6所示。

2 整车多体动力学模型建立

零部件连接点处载荷的准确性取决于多体动力学模型的精度，所以根据载荷谱采集的样车建立其相应的多体动力学模型就显得尤为重要。因此，模型建立所需的相关参数输入需进行实测并进行适当调整，图7实线为下摆臂前衬套径向刚度实测数据，由于测试时的范围达不到车辆在恶劣工况下的衬套工作范围，刚度曲线还需要进行相应的拟合延伸，如图7虚线所示。

本文所分析的车型采用麦弗逊前悬架和扭力梁后悬架，驱动形式为前置发动机前轮驱动，后悬扭力梁在通过强化坏路时会发生弯曲和扭转，故对其进行了柔性化处理，运用模态综合法[5]，利用有限元软件计算得到包括模态信息的扭力梁中性文件，利用模态中性文件完成对扭力梁的柔性化处理，从而建立如图8所示的整车多体动力学模型。

为验证所建立模型的准确性，将前后悬架模型的K&C仿真结果与试验数据进行了对比，前悬架垂向刚度、侧向刚度及纵向刚度的对比如图9所示，后悬架垂向刚度、侧向刚度及纵向刚度的对比如图10所示，模型仿真数据与测试结果吻合度很高，模型能够支持下步虚拟迭代及载荷提取。

3 虚拟迭代及载荷提取

3.1 虚拟迭代原理

虚拟迭代是以易测位置处的信号（如弹簧位移信号）作为目标信号，通过计算整车模型的传递函数及其逆函数，反求得到其激励信号，使得模型仿真结果接近载荷谱采集的目标信号，其流程图如图11所示，主要步骤包括3个步骤[6]：

（a）测量获得车辆在通过强化坏路的信号，其中弹簧位移及轴头加速度作为迭代的目标信号，轮心除垂向力外的其余五分力作为迭代的外加激励信号；

（b）系统识别：此步骤主要是获得整车动力学模型的传递函数，将噪声信号u0（f）输入整车动力学模型，得到相应的输出信号y0（f），传递函数F（f） = y0（f）/ u0（f）；

（c）虚拟迭代：利用传递函数逆函数和目标信号，反求得到轮胎接地点处的位移激励信号，在此位移激励信号下得到仿真结果，与实测目标信号进行比较，进行偏差修正和多次迭代，直到仿真结果和实测目标信号达到收敛状态。

虚拟迭代结果的判断主要从时域、损伤域、幅值域和频域等方面对测试数据和仿真结果进行对比，以比利时路面为例说明，图12为左前弹簧位移的时域对比结果，测试数据和仿真结果趋势完全一致且峰值相近，表3为虚拟迭代各通道测试数据和仿真结果的相对损伤计算结果，相对损伤值均在1.0附近，且从图13可知损伤值分布也很一致，表明测试数据和仿真结果在损伤域完全一致。幅值域对比主要从雨流分布和穿级计数两个方面进行对比分析，左前弹簧位移的雨流计数对比如图14所示，穿级计数对比如图15所示，可以看出测试数据和仿真结果在幅值域完全一致。图16为左前轴头垂向加速度测试数据和仿真结果在频率域内的对比，损伤大部分集中在0～40Hz范围内，信号吻合程度也非常高。综上所述，通过对多体动力学模型进行虚拟迭代，完全复现了车辆在通过强化坏路时的轴头加速度和弹簧位移响应，能够支持载荷提取工作，后扭力梁与车身左侧连接点的载荷谱如图17所示。

4 结论

采集了试验场的道路载荷谱，创建了整车动力学模型，模型K&C仿真结果与试验数据对标结果良好。运用虚拟迭代方法，复现了车辆在通过各强化坏路的轴头加速度和弹簧位移响应，提取了后扭力梁连接点的载荷谱，为后期零部件的疲劳分析提供了输入条件。

参考文献

[1] ZHAO L H， ZHENG S L， FENG J Z. Failure mode analysis of torsion beam rear suspension under service conditions[J].Enginee -ring Failure Analysis， 2014（36）：39-48.

[2] 战楠，郑福荣，高鹏飞，等.基于实测载荷谱的轿车后扭梁疲劳仿真研究[J].机械强度， 2015，37（5）：959-963.

[3] 宋亚伟，黄元毅.基于多体动力学模型的汽车底盘动态载荷分析[J]. 汽车技术， 2017（3）：12-18.

[4] Daeoh Kang， Seungjin Heo， Holyoung Kim. Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method for VPG Simulation [J].SAE，2009-01-0814.

[5] 馮海星，刘海立，张松波，等.模态综合法在车身结构动力学计算中的应用[J].汽车工程，2012，34（9）：811-815.

[6] Manfred Becker， Thomas Langthaler， Markus Olbrich， etc.The Hybrid Road Approach for Durability Loads Prediction. SAE， 2005- 01-0628.