商用车整车虚拟台架仿真技术研究

曹正林　韩超　林业　李赫（中国第一汽车股份有限公司技术中心 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130011）



商用车整车虚拟台架仿真技术研究

曹正林韩超林业李赫
（中国第一汽车股份有限公司技术中心 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130011）

【摘要】以某重型载货汽车为研究对象，采用Abaqus软件中的显式和隐式求解技术交互方法，建立了整车柔体非线性动力学仿真模型，模型中考虑了各种非线性因素（如板簧、轮胎及各类衬套等）。与相同工况下的台架试验对比可知，所建模型精度较高。在此基础上，利用整车装配有限元模型进行虚拟6通道道路模拟台架试验的时域仿真，测试结果表明主要结构应力误差小于25%，仿真伪损伤值与实测值接近。

主题词：重型载货汽车轮胎板簧非线性动力学

1　前言

目前，汽车行业内多使用多体动力学方法搭建虚拟样机模型来仿真整车系统，并提取相应载荷历程，然后使用惯性释放方法计算出单位作用力下的多通道响应，再与载荷历程进行多通道线性叠加，校核疲劳强度。此方法虽然计算速度较快，但存在一定的局限性：第一，对于非线性、大变形、大位移的结构仿真模拟存在较大误差；第二，很大程度上受限于刚体动力学商用软件的经典模型，尤其表现在轮胎模型是公式化模型，而非基于本构关系的物理模型。针对以上问题，本文尝试以某重型卡车为研究对象，建立了整车高度非线性的有限元模型，模拟商用车整车6通道试验，对试验场工况进行仿真，得到整车时域响应。

2　非线性动力学分析基本原理

中重型车整车系统非线性主要来源有以下几方面［1］：轮胎材料非线性、接触非线性、几何非线性；板簧接触非线性、几何非线性；橡胶衬套动、静刚度非线性；阻尼器非线性；其他空间接触（例如车架接触）非线性。如何快速地在众多非线性因素的影响下得到收敛的解，成为提升整车非线性动力学仿真精度的关键［2］。

基本运动方程：

式中，U（）t为位移；M为质量矩阵向量；C为阻尼矩阵向量；K为刚度矩阵向量；R（）t为节点载荷矩阵向量。

根据整车试验经验可知，中重型车整车系统的动态特性主要由板簧、轮胎以及车架等关键结构件的刚度和质量分布综合决定，所以在建模过程中分别将以上结构有限元仿真模型与试验结果进行对比验证，确保整车子系统装配模型的准确性，为系统分析奠定基础。整车关键结构仿真特点及模型校验标准见表1。然后对已校对的整车含预载荷的装配模型进行非线性动态仿真。

表1　　整车关键结构仿真特点及模型校验标准

3　　板簧特性研究与仿真

3.1板簧建模

由于变截面少片簧工艺参数非常复杂，以参数化的3D模型为基础建立的有限元板簧模型的精度无法保证，误差在10%～20%之间。因此，基于点云扫描逆向工程进行3D建模，然后将其离散为有限元网格，见图1。

3.2板簧模态仿真与试验验证

使用自然频率提取方法提取系统固有特性，并与锤击法模态试验对比。计算模态与试验对比误差小于5%，见表2。说明线性状态下板簧模型的刚度和质量分布准确。

表2　板簧模态测试与仿真对比

3.3板簧动刚度、静刚度仿真与验证

因此，针对南通蓝印花布纹样图像数据库设计需求，解决现有技术中图像数据库检索效率不高、存储、检索关键词扩展性不好、数据与数据之间关联不明确、计算机图像处理研究技术及现有图像数据仓库管理方法的不足，我们提出了一种新的基于内容的、可扩展、高效存储、检索的图像数据仓库管理方法。

少片簧有限元模型考虑了片间摩擦和中心螺栓预紧，使用Abaqus∕Standard仿真静刚度，计算静刚度为292.6 N∕mm，实测数据为311.6 N∕mm，误差约为6%。板簧在小幅值振动范围内表现出的动刚度直接影响整车的动力学特性，且根据经验，低频动刚度与加载频率基本无关。本文以1 Hz为例校验板簧动刚度特性，首先在Standard隐式静力学求解中，计算螺栓预紧力和板簧预载，然后将Standard求解结果导入Explicit求解器进行动态求解。板簧摩擦因数在0.2～0.3之间微调，得到的动刚度计算结果见表3，动态仿真效果令人满意。

表3　1 Hz加载条件下前钢板弹簧动刚度

4　轮胎试验与仿真

4.1橡胶材料本构模型

橡胶为超弹性材料，本文中采用的Yeoh应变能理论描述橡胶材料在大变形下的力学特性，其应变能函数为［4］：

式中，U为应变能；N为展开多项式的阶数；Ci0描述材料的剪切特性；Di描述材料的压缩性；Ii为变形张量不变量；J为弹性体积比。

如果材料为不可压缩，那么J=1，即可忽略式（2）中的第二部分。如果采用三参数形式，则N=3，有

将橡胶材料的实验数据输入ABAQUS软件，即可对C10、C20、C30进行参数辨识。

4.2轮胎模型

4.3轮胎仿真与试验

轮胎刚度为非线性，载荷越大刚度越大。由非线性刚度曲线图3知，在设计轮荷3.5 t载荷下，垂直刚度计算值为1 096 N∕mm，试验垂直刚度约为1 040 N∕mm，误差5%。另外，由轮胎模态测试和仿真对比结果（表4）可知，基于材料本构方程的仿真轮胎模型计算精度较好。经分析，轮胎表面的花纹对轮胎刚度结果影响较大，本文使用的轮胎胎面花纹为简化花纹，建模过程中只保证了径向刚度的准确性，轴向刚度误差较大，所以导致了1阶、2阶轴向模态频率误差较大。

表4　　轮胎约束模态仿真结果与试验对比

5　　车架试验与仿真

建立车架仿真模型（图4），并利用模态试验验证其质量和刚度的分布特性，试验结果表明，模型准确性较好（见表5）。车架模态的误差主要来自车架上长螺栓连接结构的质量，尤其是平衡大支架与车架连接部分的螺栓质量，本文在建模过程中考虑了这部分质量，但由于数量过多，略有简化。

表5　　模态频率试验及仿真结果

6　　整车模型装配

整车模型（见图5）共有约45万个节点、44万个单元，共含部件221个（不包含驾驶室、动力总成单元）。本文使用ABAQUS软件的Standard求解器进行模型的装配和静平衡工况的求解，然后将Standard隐式求解结果导入Explicit显式求解器，在导入过程中需要解决求解器的不兼容问题，包括单元类型不兼容、刚性连接不兼容、减缩积分沙漏控制不兼容、接触定义方式不兼容等。

7　整车系统中的悬架固有频率特性分析

板簧、轮胎、车架等关键结构组成了整车有限元模型，轮胎、板簧和车架的刚度以及各关键部件的质量决定了整车系统的主要低频动态特性，进而影响整车系统在实际运动工况中的应力响应，所以整车的动态仿真必须保证整车系统悬架模态特性的准确性，悬架固有频率是检验悬架模型的重要指标之一。整车系统下的动态仿真与测试对比结果见表6，动态仿真振型如图6所示，前悬架模态主要由轮胎刚度和非簧载质量决定，仿真计算中轮胎同向跳动的固有频率与反向跳动的固有频率数值的差别来源于横向稳定杆扭转刚度的作用。后悬架双桥前、后反跳的频率主要由轮胎刚度和非簧载质量决定，双桥左、右异步反跳主要由轮胎刚度、非簧载质量分布以及平衡悬架反作用杆衬套刚度共同决定。

表6　整车系统下的动态仿真与测试结果

8　　整车台架疲劳试验

在进行整车6通道道路模拟台架试验的过程中，回采作动器位移高程信号和危险点应力信号作为仿真的输入条件和验证条件。6个作动器位移高程的时域谱如图7，该时域谱将作为整车仿真的输入位移载荷边界条件。

9　整车应力仿真与试验对比

在整车试验中确定典型位置S1，S2。S1位于车架纵梁第一折弯点，S2位于横梁边缘，如图8所示。

整车虚拟动态仿真过程分为10种不同路段，包括扭曲路、搓板路、比利时路、大圆凸起、小圆凸起等。在仿真结果中提取典型位置的时域应力历程，提取应力的方向与测试的单轴应变片方向相同，将实测结果与仿真结果进行对比。图9为扭曲路工况某时刻应力云图；图10为扭曲路仿真结果与实测结果时域应力对比曲线。

图11为搓板路工况仿真结果与实测结果对比曲线；通过对比搓板路工况和扭曲路工况下的计算仿真曲线与试验曲线，证明这种模拟方法在时域和频域上均具备一定精度。

通过结果对比可见，测试与仿真结果在时域与频域上趋势基本一致，各工况下伪损伤比在0.25～3之间（见表7），说明整车虚拟台架仿真技术可以有效地仿真整车台架疲劳试验条件下中重型车的动态应力响应，这为预测中重型车整车系统疲劳提供了技术基础。仿真结果与试验结果也存在一定的误差，引起误差的主要原因是仿真模型存在简化：材料阻尼为假设阻尼，没有通过试验测试；轮胎的侧向刚度和纵向刚度存在一定误差。针对以上这些因素将进一步展开深入研究。

表7　各种路面工况下试验和CAE计算伪损伤对比

参考文献

1曹正林.虚拟试车场技术预报载货汽车底盘耐久性研究.汽车技术，2010（2）：51～57.

2Ramesh Edara，Shan Shih.Heavy Vehicle Suspension Frame Durability Analysis Using Virtual Proving Ground.SAE Paper 2005-01-3609.

3王勖成.有限单元法.北京：清华大学出版社，2003.

4Shahyar Taheri.Finite Element Modeling of Tire Transient Characteristics in Dynamic Maneuvers.SAE Paper 2014-01-0858.

5曹正林.虚拟试车场动力学轮胎模型技术研究.汽车技术，2012（4）：13～16.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年1月12日。

中图分类号：U461.7+1；U463.32

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）06-0019-05

Research on Simulation Technology of Virtual Rig for Commercial Vehicle

Cao Zhenglin，Han Chao，Lin Ye，Li He
（China FAW Co.，Ltd.R&D Center，State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise &Safety Control，Changchun 130011）

【Abstract】With a heavy duty truck as research object，we use the interactive method of Abaqus explicit∕implicit solution technology to establish a vehicle flexible&nonlinear dynamics simulation model，which considers many nonlinear factors like leaf spring，tires and rubber bushings.Compared with the bench test under the same conditions，the established model has higher precision.Based on this，we make simulation of the 6-channel road simulator test on the vehicle with finite element model.The test results show that stress error of main structure is less than 25%，pseudo-damage value from simulation is similar with measured value.

Key words:Heavy truck，Tire，Nonlinear，Dynamics