底盘悬架系统自动化仿真方法研究与应用

王涛，韩超，朱波，李刚，常海啸，佟凯旋

中国第一汽车股份有限公司研发总院 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，吉林 长春 130011

乘用车底盘悬架强度耐久性能开发一般流程是底盘设计工程师完成悬架模型设计，载荷开发工程师分解悬架硬点的静、动态载荷，强度耐久工程师负责副车架、转向节和控制臂等单件结构的强度校核及优化改进，试验工程师进行试验验证，试验验证首先要开展的是悬架系统静态大负荷及单轴耐久台架试验，然后进行整车承载系统耐久试验[1−3]。强度耐久CAE工程师除了要对悬架每个单件结构进行强度耐久分析及优化改进外，还要针对底盘悬架系统静态大负荷及单轴耐久台架试验，建立悬架系统仿真模型，其目的主要有以下3点：1)通过悬架系统仿真，对比分析系统台架试验，从而提升悬架系统台架试验一次成功率；2)通过悬架系统仿真，可以预测悬架系统薄弱环节，从而指导悬架系统“失效链”设计；3)通过载荷位移曲线法，预测悬架系统各方向的承载能力。然而，由于悬架系统建模涉及弹簧、衬套及限位、局部坐标系等众多因素，模型复杂，建模周期长，不同工程师建模方法不一样，导致同一个悬架系统静强度及单轴耐久仿真结果一致性差[4−7]。

本文基于TCL脚本语言，将悬架硬点坐标及局部坐标系方向坐标、橡胶衬套刚度、轮心载荷固化为标准模板。先进行梁单元刚度等效的悬架系统自动化建模，基于刚度等效的悬架系统模型，进一步实现副车架、转向节、控制臂和减振器等真实结构的自动化替换，自动调用输出信息及边界条件模板，完成悬架系统强度耐久仿真模型自动化建立。结合仿真及悬架系统实物台架试验，验证程序的正确性。建立麦弗逊、双横臂、E型多连杆、T型臂悬架系统模板库及强度耐久仿真模型数据库，为底盘悬架系统静强度及单轴耐久性能前期开发提供了高效迭代的方法，极大地缩短产品开发周期。

1 基于TCL语言的程序设计

1.1 悬架系统传统建模方法

以E型多连杆悬架系统建模为例，需要手动完成82个硬点坐标输入、24个衬套刚度属性建立、36个局部坐标系建立、54个标准组件名称 建 立(包 含beam单元、bushing单元、spring单元)和54个属性建立等，不同工程师建模会略有不同，但手动完成一个E型多连杆悬架系统建模及调试至少需要10 h，费时费力，更重要的是对于缺乏经验的工程师，悬架系统建模过程相对复杂，模型的正确性不能保证，建模流程更难以统一。

1.2 TCL程序设计流程

将底盘悬架系统硬点坐标及局部坐标系方向坐标、衬套及弹簧刚度、轮心载荷固化为标准模板，同时考虑不同悬架类型的拓扑关系，如E型多连杆悬架系统：减振器可能连接在转向节上，也可能连接在控制臂上；稳定杆连杆可能连接在转向节上，也可能连接在控制臂上，还可能连接在减振器上，利用TCL循环控制语句实现一类悬架系统的6种拓扑结构自动化建模。不同悬架类型的边界条件不同，通过调用固定模板的方式实现不同悬架系统边界条件的施加。悬架系统自动化建模的核心思想是基于梁单元刚度等效悬架系统的自动化替换，且替换可以实现单部件单双侧替换、多部件单双侧替换。基于TCL脚本语言的程序设计流程如图1所示。

图1 底盘悬架系统自动化建模程序设计图

2 悬架系统仿真模型自动化建立

基于C#语言完成用户界面开发，应用自动化程序建立悬架系统仿真模型基本方法如下。准备3个模板：悬架硬点坐标及局部坐标系方向坐标模板、衬套刚度模板、轮心载荷模板，3个模板文件分别作为3个sheet表组成1个excel文件，梁单元等效悬架系统建模时仅需导入excel文件，选择悬架类型及拓扑结构，程序用30 s左右时间完成梁单元刚度等效悬架系统自动化建模，基于梁单元等效悬架系统，从模型库中选择要替换的真实悬架结构网格模型，如副车架、转向节、控制臂、稳定杆及连杆等，程序自动完成网格模型替换及相应位置梁单元剔除，同时，工程师可以根据实际分析需求选择单侧单部件替换、单侧多部件替换、双侧单部件替换、双侧多部件替换，满足不同悬架系统强度耐久仿真需求。程序界面如图2和图3所示。

图2 杆件等效悬架系统建模程序界面

图3 悬架系统真实结构替换程序界面

在加载过程中，工程师只需点击加载，选择输出工况的类型，即可以完成4类悬架系统各种载荷工况的自动化加载及计算文件的输出。悬架系统仿真模型替换模式如图4和图5所示。

图4 单部件单双侧自动化替换

图5 多部件单双侧自动化替换

从模板文件准备到各类悬架系统仿真模型建立输出完成只需30 min，效率提升90%以上。

3 仿真结果分析与验证

3.1 悬架系统仿真结果分析

本文仅列举双横臂悬架系统控制臂结构的仿真分析及验证过程，双横臂悬架系统其他结构验证方法类似。其他各类悬架系统验证方法与双横臂悬架一致。首先，应用自动化程序建立悬架系统仿真模型，梁单元刚度等效悬架系统模型如图6所示。

图6 双横臂梁单元等效悬架系统模型

基于梁单元等效悬架系统模型，选择模型库中准备替换的悬架典型结构，如副车架、转向节、上控制臂、前1号控制臂、前2号控制臂、稳定杆及连杆和减振器叉等。本次仿真模型选用前2号控制臂单侧自动化替换，替换后的悬架系统仿真模型如图7所示。约束悬架系统与车身连接点，系统模型中同时考虑衬套套筒与控制臂的过盈配合、材料非线性等因素。双横臂前悬架系统的静态大负荷工况主要考核侧向向内、纵向向后以及垂直向上工况，侧向及纵向工况中，控制臂结构并未进入屈服阶段，相对安全。垂直向上大负荷工况，轮心载荷54 kN,2号控制臂等效塑性应变系统仿真结果如图8所示。

图7 双横臂悬架系统仿真模型

图8 控制臂等效塑性应变系统云图

结果表明，2号控制臂与减振器装配区域等效塑性应变接近材料延伸率6%(节点编号：17128)，存在断裂风险。

3.2 仿真结果验证

3.2.1 传统单件算法验证

建立双横臂前悬架系统多体动力学模型，装配模型包含悬架系统、转向系统、稳定杆系统和悬架仿真试验台。轮心施加垂直向上载荷54 kN，检查基于自动化程序的悬架系统模型与多体动力学硬点载荷分解结果的一致性，控制臂外点、内点、减振器下点施加多体动力学分解的载荷，控制臂有限元仿真模型如图9所示。

图9 传统单件算法控制臂仿真模型

2号控制臂有限元模型中同时考虑过盈配合和材料非线性，等效塑性应变仿真结果如图10所示。

图10 传统单件算法控制臂等效塑性应变云图

悬架系统仿真结果与单件计算结果在相同节点编号处的等效塑性应变对比结果见表1。

表1 仿真结果对比

由表1可以看出，通过二次开发程序自动化建立的悬架系统等效塑性应变仿真结果与传统单件计算结果吻合良好，最大偏差在3%以内，从仿真的角度验证了程序的正确性。

3.2.2 台架试验验证

搭建悬架系统实物试验台，包含夹具、作动器、转向节、1号控制臂、2号控制臂、减振器、稳定杆及连杆、橡胶衬套和连接球头。向内大负荷及纵向向后大负荷工况，2号控制臂未见异常。轮心处施加垂直向上载荷，第一轮试验：轮心缓慢加载至53.28 kN，控制臂断裂；第二轮试验：轮心缓慢加载至54.58 kN，控制臂开裂。实物台架及两轮试验结果如图11所示。

图11 悬架系统台架试验及结果

两轮实物台架试验结果表明，2号控制臂断裂位置一致，且同悬架系统及传统单件计算结果吻合，从试验的角度验证了程序的正确性。

目前，一汽底盘耐久团队已经完成传统算法，即多体动力学建模及载荷分解自动化程序开发。完成麦弗逊悬架系统、E型多连杆悬架系统、T型臂悬架系统仿真与传统单件算法以及台架试验的对比验证，建立各类悬架系统模板库和模型数据库，形成完备可靠的悬架系统自动化虚拟验证方法，用于新开发车型或者改款车型底盘静强度及单轴耐久性能前期开发，仿真迭代效率提高明显。目前，国内外优秀的汽车企业已经完成传统算法，即多体动力学建模及载荷分解自动化程序开发，基于有限元模式的悬架系统仿真法与基于Adams多体载荷分解法“同步自动化运行”将极大地提高工作效率，提高底盘产品一次设计成功率。

4 结论

1)基于TCL脚本语言，定制硬点坐标、衬套刚度、轮心载荷标准模板和实现梁单元刚度等效的悬架系统自动化建模。

2)基于梁单元等效悬架系统，实现副车架、转向节、控制臂、稳定杆及连杆、减振器等典型悬架结构的自动化替换，根据仿真需求，进行单部件单双侧替换、多部件单双侧替换，自动化完成各类悬架系统仿真模型建立。

3)通过实物台架试验及传统单件算法验证程序正确性，建立底盘悬架系统模板库及仿真模型数据库，结合虚拟迭代及动态载荷谱分解技术，用于底盘悬架产品强度耐久性能开发。

随着乘用车市场竞争越演越烈，产品的快速更新迭代已经成为占据市场的关键因素。CAE仿真势必要不断提升仿真精度、提高仿真效率、增加仿真手段、扩大仿真覆盖度，底盘传统的单件算法与系统自动化算法“双措并举、相辅相成”，极大地缩短产品开发周期，在市场竞争中抢得先机。