基于实测载荷谱的整车疲劳开发与试验对比研究

摘 要：采集某试验车的试验场道路载荷谱，建立其多体动力学（Multi-body Dynamics，MBD）模型，提取底盘件及其与车身连接点的载荷。通过有限元疲劳仿真分析，预测整车的寿命。在试制样车完成后，分别开展试验场道路试验和整车四通道台架试验，将仿真分析结果与试验场试验和台架试验的结果进行对比。结果表明，仿真分析的失效位置与两种试验的失效结果一致。有限元疲劳仿真分析和台架试验可用于产品设计阶段，具有缩短开发周期和节约开发成本的优势。

关键词：道路载荷谱；多体动力学；疲劳仿真分析；台架试验

中图分类号：U267文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.04.10

近年来，我国的汽车工业发展迅速，产销量有了大幅提高。与此同时，消费者对汽车的各项性能也提出了更加严苛的要求，其中的疲劳耐久性，由于涉及到汽车的安全性能，更是受到了制造商和消费者的高度重视。

在传统的汽车开发流程中，只有在样车试制结束后，才能开展一系列的道路试验，考核和验证其疲劳性能。而往往很难通过一两次的设计变更和试制，就能保证产品达到设计目标，需要不断重复设计试制试验，给企业带来极大的研发成本支出，并使产品投放市场的时间滞后。

随着有限元技术、计算机硬件和数据采集技术的发展，基于实测道路载荷谱的疲劳性能开发技术，能够有效节约汽车产品研发成本，缩短研发周期。其技术流程如图1所示。

本文以某轻型客车为例，论述了该技术路线中的道路载荷谱采集，有限元疲劳寿命预测和疲劳耐久台架试验等关键环节，并将仿真分析、台架试验和道路试验的结果相比较，验证了该方法的准确性和可行性。

1 道路载荷谱采集

为了消除驾驶员的驾驶习惯和路面偶然因素对数据的影响[1]，道路载荷谱采集工作由3名驾驶员进行，每人采集5次。

在试验场的强化路路段，使用MSC六分力传感器获取4个车轮轮心处承受的3个方向的力（Fx，Fy，Fz）和转矩（Mx，My，Mz），如图2所示。用加速度传感器采集转向节处的三向加速度（Ax，Ay，Az）。左前轮在3个方向所受的力和转矩如图3所示，三向加速度数据如图4所示。

在获取原始数据后，对其进行频谱、雨流、相位等检查和验证[2]，去除毛刺，纠正漂移后，用于多体仿真，以便获取疲劳分析的输入载荷。

2 多体动力学仿真与疲劳载荷提取

在ADAMS/Car Ride模块中，依据实际的底盘部件参数，建立整车四立柱试验台模型，如图5所示。在4个轮心处，施加采集的垂向力载荷，经仿真后得到车身与底盘部件连接点的载荷。图6为多体仿真后得到的左前减振器塔处的载荷历程曲线。

3 有限元疲劳寿命预测

目前汽车工程技术领域应用最广泛的疲劳损伤理论是Miner线性累计损伤准则。该理论假设：构件承受载荷时所吸收的能量达到极限值W时产生破坏。在此假设下，若作用在构件上的载荷历程由k个不同的应力水平构成，各应力水平下的循环次数分别为n1，n2，…，nk，疲劳寿命为N1，N2，…，nk，则线性叠加总损伤为

。

当D=1时，试样吸收的能量达到极限值W，试样破坏。

在HyperMesh的Nastran模板中，根据测试时的配载情况，用集中质量单元模拟乘员的质量，建立车身静强度有限元模型，如图7所示。

在车身与底盘的连接点的3个方向上，分别施加1 N和1 N・mm的单位载荷，采用惯性释放的方法，进行线弹性静强度计算得到各个方向上单位载荷的应力结果，再综合各个通道的载荷历程，按线性叠加后得到各个节点的应力应变历程。根据相应的部件材料的应力应变关系，进行Neuber修正，得到部件的弹塑性应力应变历程，使用Smith-Watson-Topper修正平均应力的影响，选择Miner线性损伤累计准则，计算疲劳寿命[3]。其分析过程如图8所示。

在ncode/Designlife中搭建e-N法的疲劳寿命计算流程。定义材料，将单位应力应变与通道的载荷历程关联，设置载荷循环次数和其它的相关参数后，开始疲劳寿命仿真分析。

由图9的损伤值云图可以看出，第5横梁与左侧纵梁搭接处的最大损伤值d为1.177E-3，其寿命为849.6个循环（每圈强化路长度为6.7 km，定义为一个循环）。折合成里程数约为5 692 km。

4 整车疲劳耐久道路模拟试验

为了验证CAE分析结果的可靠性，在道路模拟试验机进行试验验证。相关文献显示，车身的损伤主要发生在以垂向激励为主的各种粗糙路面上[4]，本文中采集的是试验场的强化路载荷，故采用轮耦合方式在四通道道路模拟机上进行疲劳寿命测试。

在采集到的多个道路载荷谱中，利用小样本选取方法和S-N曲线获得存活率为50%的载荷谱[5]，作为道路模拟试验的迭代目标载荷谱。

在试验场采集的道路谱较长，为了缩短道路模拟台架试验时间，应用疲劳损伤等效原理对道路谱进行加速处理，如频域分析，过滤和时间关联编辑，删除时域输入信号中的无损伤部分[6]，使加速后的信号与原信号相比所产生的疲劳损伤基本一致。这样处理后，道路模拟试验等效于在试车场进行的道路测试。

道路模拟试验运用的是远程参数控制技术（Remote Parameter Control， RPC），用粉红噪声信号驱动台架作动器，并计算输入谱输出谱和互谱，然后计算整个台架测试系统的频率响应函数（Frequency Response Function， FRF）。

FRF= [Gyu][Guu]-1。

式中，Gyu为输入-输出信号的互功率谱矩阵；Guu为输入信号的自功率谱矩阵。

将车辆在试验场采集得到的并经加速处理的4个轴头加速度，作为道路模拟试验所需要的目标信号，根据频率响应函数，求得模拟试验的初始驱动信号。由于试验系统是非线性的，而频响函数矩阵的测定是基于系统为线性的，需要通过迭代逐渐修正初始驱动信号，从而得到模拟路面行驶所需的最终驱动信号。图10为目标信号，图11为最后一次迭代完成后轴头处的加速度响应信号，二者的比较如图12所示。经检查确认，迭代误差小于10%，此时的驱动信号可以用于台架试验。

迭代完成后，开始进行疲劳台架试验。约在1 037个循环（6 947 km）后，右侧第5横梁与纵梁搭接处出现裂纹，与CAE仿真分析的失效位置吻合。

图15为第5横梁在试验场强化路试验时，行驶6 371 km后发生破坏的位置。

后期将对失效部位进行结构改进，使用CAE方法评估结构优化后的疲劳寿命，并开展试验。

5 结论

在汽车产品研发过程中，以实测的试验场道路载荷为依据，建立整车动力学模型，提取疲劳仿真分析的载荷输入，开展疲劳寿命仿真分析，并将实测的载荷作为期望信号，开展道路模拟台架试验。将仿真分析和台架试验的结果与试验场试验的结果相比较，三者较为一致。

在产品开发阶段，使用CAE疲劳仿真技术和道路模拟试验，能够有效缩短产品开发周期并降低研发成本。

后期可以调查用户车辆的使用情况，并采集用户载荷谱，将其与试验场载荷谱进行等效和关联，以便使台架试验和CAE仿真的目标值与用户车辆的使用寿命一致，避免盲目设计。