车辆整车疲劳动载荷的ADAMS建模分析

摘 要

　　本文结合某乘用车项目在实际产品开发中的动载荷疲劳耐久工作开展研究。采用CAE 方法模拟试验场强化路面耐久试验的过程，即：动载荷疲劳耐久分析。动载荷疲劳耐久分析分为三个阶段：第一阶段是进行路谱采集试验，需要用到 4 个六分力传感器、直通加速度传感器、拉线式位移传感器；第二阶段是动载荷分析，即应用多体系统动力学软件（本课题采用 ADAMS 软件），将采集到的轴头力信号通过多体模型传递到车身连接点，计算得到车身连接点的力信号；第三阶段是疲劳耐久分析，即利用疲劳分析软件和车身连接点的力信号计算有限元模型的疲劳寿命值。本文的研究方向是动载荷分析，现有三种方法，分别是：约束加载法、虚拟迭代法和自由加载法。本文结合车型项目开发中的试验数据和仿真计算结果，从原理、建模、计算结果三个维度用实例论证了约束加载法、虚拟迭代法和自由加载法的利弊，论证了自由加载法的正确性。同时，本文根据车型开发项目需求，梳理了整车多体动力学模型建模的步骤，明确了采用六面体建立柔性体模型加入到 ADAMS 软件中进行刚柔耦合建模的方法，论证了验证模型有效性的正确方法，解决了提交求解计算的问题，并且实现了菜单提交计算和自动导出 rpc 格式文件的功能。

　　本文研究的核心内容是：

　　1. 虚拟迭代和约束加载两种载荷分解计算方法的区别及与试验结果的一致性；

　　2. 约束加载和自由加载两种载荷分解计算方法的区别及与试验结果的一致性；

　　3. 寻求验证动力学模型准确性的有效方法。

　　最终，本文的研究成果将被应用到日后的车型项目开发过程中，形成书面企业规范。

　　关键词：动力学仿真，刚柔耦合，载荷分解

Abstract

　　In this paper， the research work is carried out with dynamic load fatigue analysis in a new car project. Using CAE method to simulate the durability test is the dynamic load fatigue analysis. Dynamic load fatigue analysis includes three stages: the first stage is the acquisition of road load，need 4 wheel force transducers，DC-type accelerometers，string pot type displacement transducers； the second stage is the dynamic load identification，transformation the measured wheel forces into internal component forces through the rigid-flexible coupling multi-body model in ADAMS software ； the third stage is the fatigue life prediction， calculation of structural fatigue lifetime based on component forces and fatigue software. The research direction in this paper is dynamic load analysis， the existing three kinds of methods are: Fixed Body method，Virtual Iteration method and Free Body method. Based on the test data in the project and the results of simulation ， demonstrate the advantages and disadvantages of the three methods through the principle/modeling/results， and verify the correctness of the Free Body method. At the same time， according to the vehicle development project requirements， write down the vehicle Multi-body dynamics modeling steps and use the method of hexahedron flexible body model in the ADAMS software for the Rigid-Flexible Coupling model， prove the correct method to verify the validity of the model， solve the problem of submitting the calculation， achieve the menu submission and the automatic export RPC format function.

　　This paper focus on:

　　1. Consistency calculation with the test results through comparing Virtual Iteration method with Fixed Body method；2. Consistency calculation with the test results through comparing Fixed Body method with Free Body method；3. Effective methods for accuracy validation of the Multi-Body model.Finally， the results of this study will be applied to the project development process， and form written enterprise standard.

　　Key words：Multi-Body Model Simulation， Rigid-Flexible Coupling， Dynamic Load

　　在日益激烈的汽车市场竞争中，自主品牌车企如何提高自身影响力与客户满意度，提高产品的疲劳耐久性能是最有效、最为直接的手段之一。在产品预可研阶段，车企的市场部、规划部就已经开始围绕目标市场开展产品疲劳耐久性能需求调查，充分了解目标客户群体的需求，制订出合理的整车疲劳耐久性指标。在产品立项后的策划阶段，车企的产品部就根据市场调查及整车疲劳耐久性能指标进行指标分解，整车指标-大总成指标-零部件指标，从整体到部分逐层分解，要求：目标明确，责任到人，可以实现，能够评价。在工程设计阶段，依次完成零部件设计、大总成装配、整车装配，与此相对应，需要完成零部件疲劳耐久 CAE 分析、试验认证，大总成试验认证，整车疲劳耐久性能 CAE 分析、试验认证。其中，整车疲劳耐久性能 CAE 分析以整车疲劳耐久性能指标为基础，针对白车身或者底盘这两大类分析对象，通过使用六分力仪采集杂合车在试验场强化路面上行驶时的道路谱载荷，并将该道路谱载荷作为四个轴头的输入信号添加到整车多体动力学模型上，模拟汽车在实际使用中所遇到的最恶劣行驶工况，获取汽车目标位置的载荷谱，以便下一步作为激励加到白车身或者关键零部件总成的疲劳模型中，分析可能发生疲劳损伤风险的位置，并提出有效的优化方案。

　　随着消费者对耐久性的重视程度逐步加深，汽车产品设计师在对车身进行崭新设计或者轻量化设计时便将白车身的疲劳耐久性能作为关键性能指标。产品批量生产前产品设计师必定会随机选择大约三辆慢装车开展两万公里白车身强化路面耐久试验，一旦出现疲劳风险，立即查找设计原因、工艺原因或者试验原因，并在下一轮试验前（即：批量生产后的耐久路试前）修正缺陷。但是，一个产品开发过程大约 60~80 周，如果等到耐久路试结果出来后再修改设计缺陷，可能会重复一个或多个“设计-试装件生产-装车-试验”的过程，在原本 60~80 周的基础上每个循环延长开发周期大约 15 周~20 周，增加大约三辆试制车及相关试验成本。在 CAE 计算迅猛发展的今天，采用CAE 手段虚拟试验过程已经得到广泛应用，因此，设计前期尽早开展白车身疲劳耐久CAE 分析工作受到车企经营者的高度重视。由此可见，以有限元分析和动力学仿真技术为基础，以整车疲劳动载荷分析方法与精度为研究目标研究具有重大意义。

　　然而疲劳耐久 CAE 分析的输入信号无法通过试验直接测得，需要通过汽车系统动力学软件建模、仿真得到计算结果。随着刚柔耦合理论的迅速发展以及多体动力学分析在工程中的广泛应用，使得模拟试验场强化路面疲劳耐久试验进行疲劳载荷分析成为可能。但是，汽车的整车仿真模拟精度还受制于轮胎模型，因此，本文研究内容使用耐久性试验采集的轮心处六分力作为多体模型的输入进行虚拟仿真分析，进而开展虚拟仿真模型的验证和载荷分解工作。

　　对于本人所在企业来说，CAE 部门组建于 2010 年，相对其他车企起步较晚，工程经验不足。目前应用过的整车疲劳动载荷分析方法有三种：第一种是虚拟迭代方法，第二种是约束加载方法，第三种是自由加载方法。三种方法，各有利弊，因此，现阶段进行载荷分解方法与精度的研究至关重要。

　　在本次研究中，将首先对三种方法的原理进行对比分析，研究三种方法的区别；然后，对 A 车型进行虚拟迭代和约束加载方法的对比研究，对 B 车型进行约束加载方法和自由加载方法的对比研究，研究三种方法的优缺点；最后，将 A 车型虚拟迭代和约束加载方法的计算结果和B车型约束加载方法和自由加载方法的计算结果分别提供给疲劳分析工程师进行疲劳耐久分析，对比疲劳耐久分析结果与实际耐久路试结果，研究精度问题。

　　经过上述研究，从上述三种整车疲劳动载荷分析方法选定一种最优方法，在项目中推广应用。研究的结果不仅能够解决企业设计生产过程中的实际问题，为企业对其产品的设计、制造、检验和优化改造提供实际的参考指导，还能为企业降低产品的生产成本，提高产品设计的水平，从而在提高企业核心竞争力和产品自主开发能力等方面提供思路和方法。同时本文采用的刚柔耦合动力学建模方法具有代表性，对于不同的悬架形式需要进行微调，适用于所有车型的整车疲劳动载荷特性的分析研究，为以后车型开发工作提供了”刚柔耦合-动载荷特性研究”的典型方法和成熟的技术路线，达到增强汽车自主研发的能力、缩短汽车自主研发的周期、减少汽车自主研发的成本、提高汽车自主研发的质量的实际效益。

　　车辆整车疲劳动载荷的ADAMS建模分析：

左前轴头 AZ

左前减震器上点 FX/FY/FZ

左悬置 FZ

部分车身连接点载荷对比

前悬架模型

后悬架模型

转向系统模型

动力总成模型

目 录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景、来源及意义
　　　　1.2 课题相关研究现状
　　　　　　1.2.1 汽车系统动力学研究概况
　　　　　　1.2.2 动力学在白车身疲劳分析领域的国内外研究现状
　　　　1.3 课题研究的内容
　　第 2 章 刚柔耦合动力学建模
　　　　2.1 多体系统动力学概述
　　　　2.2 刚柔耦合理论与方法
　　　　2.3 多体动力学仿真分析软件——ADAMS
　　　　　　2.3.1 仿真工具选用
　　　　　　2.3.2 ADAMS 软件的虚拟样机设计流程
　　　　　　2.3.3 ADAMS 软件刚柔耦合建模方法研究
　　　　2.4 设定整车疲劳动载荷提取技术路线
　　　　2.5 本章总结
　　第 3 章 整车耐久强化路面试验研究
　　　　3.1 路谱采集试验
　　　　　　3.1.1 试验内容、对象及条件
　　　　　　3.1.2 试验仪器
　　　　　　3.1.3 试验车速要求
　　　　　　3.1.4 试验数据选取与处理
　　　　　　3.1.5 试验结果应用
　　　　3.2 整车耐久强化路面试验
　　　　　　3.2.1 试验对象
　　　　　　3.2.2 试验方法
　　　　　　3.2.3 试验结果
　　　　3.3 本章小结
　　第 4 章 整车建模与仿真验证
　　　　4.1 建模方法探索与求证
　　　　　　4.1.1 ADAMS/Car 建模方法
　　　　　　4.1.2 衬套特性及其对结果影响
　　　　　　4.1.3 整车建模前准备
　　　　　　4.1.4 前后横向稳定杆柔性体建模
　　　　　　4.1.5 论证求解方法
　　　　4.2 整车刚柔耦合动力学建模
　　　　　　4.2.1 新建模板 tpl 文件
　　　　　　4.2.2 新建子系统 sub 文件
　　　　　　4.2.3 新建整车装配体模型 asy 文件
　　　　4.3 验证模型
　　　　4.4 本章小结
　　第 5 章 动载荷分解与应用
　　　　5.1 提交求解计算方法
　　　　　　5.1.1 软件外提交求解计算方法
　　　　　　5.1.2 利用宏 macro 文件提交求解计算方法
　　　　5.2 计算结果格式转换方法
　　　　5.3 动载荷分解计算结果
　　　　5.4 实际应用
　　　　5.5 本章小结
　　第 6 章 全文总结和研究展望
　　参考文献
　　致谢

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