基于道路谱的多体仿真迭代疲劳载荷技术_沙大亮

基于道路谱的多体仿真迭代疲劳载荷技术作者：沙大亮卲建陈建华王俊翔单位：重庆长安汽车工程研究院CAE工程所摘要：对于疲劳载荷谱的获取一直是疲劳分析中极为重要的一个部分，直接决定疲劳分析的结果是否准确。本文介绍一种实用性强、精度高、经济可靠的疲劳载荷获取方法。这种技术是用应标定技术获取真实道路谱，通过驱动Adams建立的车辆虚拟样机进行迭代，使车辆虚拟模型的相应通道逼近实测道路谱信号，从而实现虚拟样机重现实际道路过程，进而获取车身及其零部件道路谱疲劳载荷，为疲劳分析提供载荷输入。关键字：道路谱ADAMS迭代疲劳载荷该技术是通过标定样车进行道路试验，采集得到的路谱信号（如加速度、位移、应变等），利用多体动力学软件（Adams）建立车辆虚拟样机，然后通过迭代软件FemFat-Lab调用ADAMS的求解器对样机模型进行迭代计算，并通过各个信号通道控制，使车辆虚拟样机状态逼近样车实际状态，进而图1道路谱多体虚拟迭代流程获取整车及零部件真实状态的疲劳载荷。以此作为输入进行疲劳寿命预测和结构优化，以满足产品可靠性设计目标值。该项技术涉及道路谱采集处理、整车虚拟样机的建立、道路谱虚拟迭代三部分技术。1道路谱采集及处理载荷谱采集使用力标定法，通过标定技术确定零部件的外来与应变之间的线性关系，建立力分量与应变之间的标定系数矩阵。由于零部件结构形式及采集外力分量的不同，存在各外力分量对各向应变之间相互干扰，这样就需要要进行解耦。应变片的粘贴位置以及组桥形式就需要相应的发生变化，这是该测量方法技术能力的主要体现之一。图2标定试验图3信号标定曲线道路谱采集的数据是在现场动态测试中通过数据采集设备对测试仪器检拾到的动态模拟信号进行离散化、数字化、转换和变换后得到的一列具有等时间间隔特征的数字信号。为了满足载荷分解的需要，应对路谱采集试验获得的各类数据进行科学的变换处理，包括数据有效性处理、信号处理、数据缩减。图4路谱信号2整车虚拟样机建立整车虚拟样机的质量直接影响到能否获取可信了车身及底盘零部件的疲劳载荷。整车模型与实际样车差距较大将导致迭代所需的传递函数的不能反映真实车辆状态，线性性也不能满足要求，甚至会导致仿真迭代不能正常进行。首先，根据样车底盘参数（硬点、零部件质量、弹簧刚度、减振器阻尼以及衬套的刚度数据等）和配重数据，用Adams建立该车的多体动力学模型。模型中不含有轮胎，这是由于迭代的位移和力均作用在轮心处，作为整车的驱动信号，直接驱动整车模型运动。其次在道路测试之前，应该测量车辆的轮胎载荷、重心位置和悬架限位器间隙等参数，并根据测量结果对模型进行修正。第三是建立驱动信号通道。在多体模型的轮心处建立垂向的位移（PointMotion）驱动作为垂向的位移驱动信号（如多通道的还需建立横向和纵向的力驱动）。位移数据以Spline形式通过函数输入，例如CUBSPL(time,0,SPLINE_DZ_FL,0)。最后是建立输出相应信号通道。在底盘及车身各个信号采集点建立相应的输出响应信号（Request），其对应的零件及坐标位置应与各个传感器的安装零件及坐标位置一致。图4样车Adams疲劳多体模型图将经过修正和调试正确的整车模型导出为一定格式的文件（*.adm），用于虚拟迭代时的调用。3.道路载荷谱虚拟迭代原理道路载荷谱虚拟迭代的思想是通过试验场实车测试得到相关部件响应信号（如弹簧位移、轮心加速度等），通过迭代反求技术获得难以实测获取的轮心处的外部激励（驱动信号，如轮心垂向位移、水平向力等）。将整个整车样机模型看作一个系统，路面在轮心处的激励作为输入，各个传感器的响应作为输出。利用拉普拉斯变换可建立系统的输入、输出关系，即传递函数。然后对传递函数求逆得到逆传递函数，作为由输出反求得到输入的关系。Adams建立的整车样机模型是一个非线性系统，而传递函数是线性的，需要反复修正驱动信号（激励），使响应信号逼近实测值，最终得到准确的激励输入，这就是虚拟迭代的原理。图5虚拟迭代原理图如图5所示，首先生成噪声信号，以噪声信号作为输入通道信号，根据迭代通道不同，噪声也分为四通道和多通道两种。将噪声输入多体动力学模型驱动模型进行仿真求解，获取相应输出通道信号。然后通过拉式变换获得车辆多体动力学模型的传递函数，如下面公式。传递函数：)(/)()(susysF(1)输入的载荷类型基本是固定的（如四通道的轮心的垂向位移）；在选取输出项（即用于迭代的信号）时需要选取与输入相关性较好的响应信号，如弹簧变形和轮心垂向加速度，与输入信号在垂向都有较好的相关性，利于虚拟迭代。传递函数生成后，就可以传递函数的逆建立驱动信号和输出信号之间的关系，如下式表示：)(*111nDesiednnyyFuu(2)其中：1F——逆传函，由（1）式求逆获得。Desiedy——期望信号，即采集信号。1ny——第n-1次的输出信号。1、nnuu——第n-1、n次的驱动信号。总的过程是，第n-1次的驱动信号驱动整车样机获得第n-1次的输出相应信号1ny，将1ny与Desiredy比较，如果满足条件，则迭代结束，1nu即满足实际路谱采集时对样车的激励。并可此次的仿真结果作为迭代的最终结果，提取相应零部件的疲劳载荷。如果不满足条件，则通过相应信号1ny与期望信号Desiredy的差异（1nDesiedyy）以及逆传函对驱动信号1nu进行修正得到驱动信号nu，再次驱动整车样机进行仿真，之道获得1ny逼近Desiredy，满足判定要求。为了使迭代过程不发散，能够尽快收敛，首次的驱动信号0u通过逆传递1F和由试验采集得到的期望路谱Desiredy获得，如下式：DesiedyFu*10(3)4、迭代结果评价：迭代信号与路谱实测值的比较包括三个方面，时间域、功率谱密度和相对损伤值。前两项是在时域和频域对相应信号的幅值吻合度进行评价，主要是通过曲线趋势及峰值对比进行主观评价（如图6、7）。这里的“相对损伤值”指标，是忽略了S-N曲线、表面质量、加工质量等与部件相关的性能的影响（因为分析所用的是同一个部件），而只是对载荷的疲劳性能进行比较。该方法在这里只是对相应信号和期望信号进行相对比较。经验表明时间域和功率谱方面吻合得不够好则相对损伤值会有较大的偏差，只有在时间域和功率谱方面都吻合得较好，才可能保证相对损伤值满足要求，一般损伤值取应接近1（如图8）。图6GRAVE路面悬架位移时域、频域对比图7GRAVE路面轮心加速度时域、频域对比图8Grave和Cobblestone路面各个响应通道相对损伤参考文献1、沙大亮，极限工况多体动力学仿真及载荷分解作业指导书长安汽车研究院CAE工程所2、陈军，MSC.ADAMS技术与工程分析实例所作者简介：沙大亮，男，出生于1980年10月，硕士，重庆大学机械设计及理论专业，长安汽车工程研究总院CAE工程所。研究方向：道路谱疲劳载荷分析，车辆多体动力学仿真及载荷分析，联系电话[phone]，邮箱：[e-mail]