基于虚拟试验台的驾驶室边界载荷谱研究

鞠道杰，肖 攀，于人杰，郑国峰

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.重庆市汽车底盘性能工程技术研究中心，重庆 401122）

商用车由于使用环境较为恶劣，在市场上反映出来的质量问题也较多，其中驾驶室开裂问题尤为突出。因此，在汽车产品研发过程中，驾驶室作为商用车几大总成中的重点研究对象之一，其结构的疲劳耐久性能研究越来越受到重视，而驾驶室疲劳寿命分析的关键输入则是各接口点载荷谱［1-2］。

对于获取零部件边界载荷谱的研究，目前主要通过以下方法开展：运用虚拟试验场技术获取载荷边界条件、基于六分力实测信号直接加载约束车身的方法获取载荷边界条件、运用物理台架进行迭代分析载荷边界条件，直接验证产品可靠性。

基于虚拟试验场技术的载荷分解，不仅需要通过道路扫描建立高精度的三维数字路面，还需建立精确的带轮胎、悬架的整车多体动力学模型，让其在虚拟试验场进行循环仿真，从而提取关键部件接口点的载荷谱。荣兵等［3］、Sridhar等［4］对该技术进行了详细阐述及应用研究，在前期路面扫描及重构、轮胎测试及参数辨识等方面投入大量时间成本及人力成本，目前在乘用车上得到应用，但在商用车领域还未得到较好应用。

基于六分力获取载荷的方法将试验场采集到的六分力信号直接加载到整车轴头位置，通过采集到的试验信号激励模型获取载荷谱［5］。该方法为了使六分力信号直接加载于多体模型顺利仿真，需要进行车身约束或用刚度较小的弹簧约束车身，与实际车身工作状态无约束有些出入［6］，因此利用该技术手段分解获取的载荷较实际偏大。

基于物理台架分析零部件边界载荷谱的方法首先对物理样车进行试验场载荷谱采集及数据处理，然后根据物理样车进行工装设计开展物理台架迭代分析。该方法可适用于后期产品验证阶段，但在产品设计阶段采用该方法将大大增加产品设计轮次及成本，因此还需将CAE分析技术引入产品开发设计过程中，以便缩短产品开发周期。

目前，大多数企业运用CAE技术对零部件载荷谱的研究都是基于整车多体动力学模型开展［7］。在建立整车多体动力学模型时，不仅需要准确的硬点坐标、弹簧刚度、衬套刚度、阻尼曲线等弹性元件参数，各零部件的质心、质量及惯量对模型精度也有较大影响。对于商用车来说，整车级别多体动力学模型涉及参数较多，而往往主机厂也无法提供全部建模所需参数。由于本身物理结构非线性度高，载荷传递路径复杂，因此，对于驾驶室载荷谱的研究，建立整车级别多体动力学模型就显得不适，而且路面激励至驾驶室传递路径较远，若整车模型中悬架系统建模不精确，整车簧下质量、惯量不够准确，则最终基于整车模型的载荷分解会使得驾驶室边界载荷谱有较大误差［8］。因此，本文中基于零部件虚拟试验台的思想进行驾驶室载荷谱研究，技术路线如图1所示。该方式参考物理台架迭代分析的方法，建立所关心驾驶室结构区域的多体动力学模型，将虚拟试验台与实测路试信号相结合，通过等效迭代复现的技术手段模拟驾驶室的物理台架迭代过程，继而分解获取驾驶室边界载荷谱。

图1 技术路线框图

1 虚拟试验台迭代原理

虚拟试验台迭代原理同物理台架迭代原理一致，都是通过远程参数控制RPC（remote parameter control）技术来模拟试验部件在道路上的实际使用载荷［9］。台架迭代的本质是已知系统及输出求输入的逆问题。根据试验场采集内部响应信号及系统逆传递函数，迭代获取系统外界等效台架位移激励，最后运用该等效激励驱动试验台，分解获取目标部件边界载荷谱［10］。迭代原理如图2所示。

图2 迭代原理框图

创建白噪声信号unoise（t），驱动系统获取白噪声响应信号ynoise（t），通过输入及输出进行系统识别 G（s）：

结合试验实测信号yDesired（t）及系统逆传递函数 G-1（s），迭代获取系统第1次等效激励 u1（t）为

将第1次等效激励u1（t）用来驱动系统，获得系统第1次响应 y1（t）为

由于实际物理样车系统G0（s）存在较高的非线性，与基于虚拟试验台计算获取的系统传递函数会有一定误差，因此系统第1次响应信号y1（t）与试验实测信号yDesired（t）也会有一定误差：

此时，需反复进行迭代修正外界驱动信号，通过对比响应信号与试验实测信号来不断修正参数因子α，直到二者满足迭代精度要求为止。

式中：un+1（t）为第 n+1次驱动信号；un（t）为第n次驱动信号；yn（t）为第n次响应信号。

2 驾驶室-车架虚拟试验台

2.1 车架模型处理

路面激励经车轮及板簧悬架传递给车架，车架再将激励经驾驶室悬置系统传递给驾驶室，因此，在单独研究驾驶室边界载荷谱时，将车架一并考虑在内作为驾驶室等效激励输入的载体。为更好地描述驾驶室-车架虚拟台架模型，考虑车架大变形及刚度影响等因素，将车架进行柔性化处理能更精确地反映驾驶室的动态响应过程。该型商用车驾驶室采用四点全浮式悬置系统支撑在车架前段，对于驾驶室悬置系统最直接的激励就是车架前段。为了建模的简便性，将车架进行分段处理，以传动轴支撑横梁为界对车架进行分割处理，耦合分割后的所有节点，以保证分割后车架前段刚度变化不大，如图3所示。采用模态综合叠加法对半车架有限元模型进行模态分析，生成MNF文件用于柔性体建模。关于车架有限元建模及模态分析在此不赘述。

图3 半车架有限元模型示意图

2.2 虚拟台架模型

依据实车拓扑结构关系进行部件创建与拓扑关系连接。其中，硬点参数通过整车数模测量获取，并以集中质量代替驾驶室，将驾驶室质心位置、驾驶室含试验配载状态质量、转动惯量赋予该质量刚体。除此之外，悬置系统中弹性元件的刚度及阻尼特性将决定模型的非线性度，直接影响虚拟台架精确程度，因此通过如图4所示振动台分别对各弹性元件进行刚度测试，并将试验获取的刚度曲线应用于所建虚拟台架模型中。在应用各弹性元件曲线及创建等效位移激励时，应遵循各元件在整车坐标系中的方向。

图4 衬套刚度试验振动台

在车架板簧吊耳及卷耳位置分别施加4个Z方向随机位移激励作动器，模拟驾驶室垂向、俯仰及侧倾受力特性。在车架纵向第一横梁处，施加1个X方向随机位移激励，模拟驾驶室纵向冲击（加速及制动等）受力特性。在车架同侧位置施加2个Y方向随机位移激励，模拟驾驶室横向及横摆受力特性，最终搭建形成商用车驾驶室-车架刚柔耦合虚拟台架模型［11］，如图5所示。将虚拟台架进行静平衡分析，调整弹簧预载至设计值。

图5 驾驶室-车架刚柔虚拟台架模型示意图

3 实车信号采集及数据处理

3.1 信号采集

驾驶室实车路谱采集选择在国内某试验场强化耐久试验道路进行。采集路面包括搓板路、扭曲路、小圆凸起路、鱼鳞坑、比利时等典型耐久强化路面。

为在虚拟台架中对迭代信号进行对标分析，在驾驶室悬置系统主被动端分别布置1个三向加速度传感器，驾驶室地板及车顶各布置1个三向加速度传感器，悬置主被动端间各布置1个拉线位移传感器，传感器布置示意图如图6。布置传感器时，加速度传感器严格参考整车坐标系，拉线位移传感器要求与弹簧平行安装，主要采集通道如表1所示。

图6 传感器布置示意图

表1 主要采集通道

3.2 数据处理

3.2.1 载荷谱预处理

为便于后续针对单个强化路面下驾驶室载荷谱研究，需对载荷谱进行路面分割。

需特别指出的是，采谱过程中，在某些路面工况下商用车试验车速较低，要同时兼顾前后轴车轮均驶出测试路面进行工况分割，如图7所示。在实际路试试验过程中，难免会出现外界干扰等影响，导致采集信号的失真、干扰等现象，这些错误成分将影响迭代时的收敛性，因此需要对采集信号进行预处理，以减小干扰信号对后续结果的影响，包括对采集信号进行去毛刺、去除信号趋势项、修正信号漂移、信号平稳性检测等［12］。

图7 路面工况分割示意图

在试验过程中，为复现试验路谱激励的幅值，选择较高的采样频率1 024 Hz进行数据采集。在疲劳分析中，主要考察中低频路面，依据采样定理，采样频率大于2倍基频时就能满足采样要求。但是，疲劳分析中所关注的是时域信号的波峰与波谷，若采用2倍基频进行重采样时仍无法描述载荷谱的波峰与波谷，对后续疲劳寿命分析将有影响，因此需要提高重采样频率。选择软件分析中运用较为广泛且可以全覆盖路面2倍基频的频率256 Hz进行重采样。

3.2.2 载荷谱样本筛选及等效

试验场耐久路试是对特定工况的多次循环，而载荷谱采集仅能采集有限的样本量。为使后期分析利用的样本数据更具代表性，通常采用Rossow抽样原则（50%存活率）进行相应的样本筛选，确保每一路况都包含唯一路谱数据［13］。对路谱预处理后的数据进行雨流计数，获得样本筛选数据的数理统计结果，结合企业制定各疲劳耐久路面的循环数，确定目标总损伤。根据总损伤等效的原则，选取一些典型损伤路面进行路面重组，确定特征路面及其等效循环次数。损伤计算流程如图8所示。

图8 等效损伤计算流程框图

4 载荷谱分解

迭代响应信号应对加载输入激励比较敏感，这样有利于提高信号的信噪比，提高迭代收敛性。结合驾驶室-车架刚柔耦合虚拟台架模型与试验实测信号，选择相关性较高的Z向加速度及悬置弹簧位移为目标信号，其余通道为监测信号。在迭代过程中，不仅要保证目标信号的精度，同时应兼顾监测信号的精度。以小圆凸起路为例，其他路面工况迭代方式与该路面相似，在此不赘述。

关于迭代评价，目前主要集中在时域、频域以及相对损伤值上。时域与频域主要是宏观直接比较仿真值与实测值曲线的趋势、峰值及相位的吻合程度，若二者差别较大，应继续迭代［14］。图9～12为经过9次迭代后，在时域内的目标信号与监测信号仿真值与实测值。通过局部放大图对比可知，二者在曲线峰值、趋势及相位上精度大于90%。经频域转换后，二者同样具有相同频域成分，精度也大于90%。图13为第9次迭代后响应信号与实测信号相对损伤值。从图中可知，各通道的相对损伤值都在1左右，满足0.5～2的行业标准［15］。迭代精度满足要求，从而可以提取车架等效7通道位移激励。

图9 前左位移仿真值与实测值

图10 车架Z向加速度仿真值与实测值

图11 车身X向加速度仿真值与实测值

图12 车身Y向加速度仿真值与实测值

图13 第9次迭代后相对损伤值

通过分析可知：在进行到第9次迭代后，此时的迭代激励即虚拟位移激励等效于小圆凸起路面工况下路面经整车悬架后对车架的激励，该位移激励能够复现试验场下路面对车架的激励信息，使得仿真值与实测值对标精度较高，因此将迭代获取的位移信号作为虚拟试验台输入激励，进行多体仿真分析。提取驾驶室4个接口点的载荷谱，共计24个载荷谱信息，前左点边界载荷谱如图14、15所示。

图14 驾驶室前左接口点三向力载荷谱

图15 驾驶室前左接口点三向力矩载荷谱

5 结论

为避免或减小由模型复杂及传递路径较远引起驾驶室边界载荷谱分析结果误差，参考驾驶室物理台架，提出一种基于虚拟试验台的方法。选择驾驶室局部结构，搭建驾驶室-车架刚柔虚拟试验台架模型，结合实车试验场采集悬置加速度信号及位移信号进行虚拟台架迭代分析，并从时域、频域以及相对损伤值对迭代精度进行验证。分析结果表明，该方法可有效对标驾驶室实际工作状态，获取的驾驶室边界载荷谱可准确反映驾驶室实际工作受力状态，能支撑后续驾驶室疲劳寿命分析。对于整车其他零部件边界载荷谱的研究，同样可参考物理台架模型，建立所关心结构局部虚拟试验台，将CAE分析技术运用到产品开发中，提高分析时效性，为后续零部件结构耐久分析提供满足实际情况的边界载荷条件。