一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法，包括步骤：1，整车四轮六分力道路谱测试；2，整车设计数据收集：3，整车动力学模型建立及调校：4，虚拟迭代：5，轮心Z向位移获取：6，整车载荷分解：7，载荷结果处理。本发明采用直接测量整车四轮轮心处的六分力作为外部道路激励输入，反映了试验场可靠性典型特征路面激励下的轮心实际受力情况；通过虚拟迭代技术和动力学仿真技术解决了整车系统及零部件载荷获取的技术瓶颈，在前期就可以准确的预测和优化整车结构疲劳耐久性能，减少样车阶段问题整改，缩短研发周期，降低研发成本。
【专利说明】一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种载荷分析方法，具体涉及整车四轮六分力道路谱载荷分析方法。
【背景技术】
[0002]可靠性是汽车研发中非常重要的产品品质，汽车可靠性设计首要问题是获取汽车结构各系统及零部件在用户使用中的载荷环境。目前国内大多数汽车厂家整车结构疲劳分析所需的载荷主要采用传统的台架经验载荷，与用户道路和试验场载荷相关性差。缺乏真实的道路载荷，导致汽车产品设计的盲目性，出现整车结构疲劳耐久性能过设计，增加钣金厚度，增加整车重量，从而增加产品成本；或者整车结构疲劳耐久性能设计不足，在可靠性验证试验中出现各种结构开裂现象，延长研发周期，导致产品无法及时投放市场，甚至错过市场竞争的关键时期。更为严重的是，当用户使用中出现安全件结构断裂，严重的危及生命，影响品牌效应。
[0003]道路载荷是随时间变化的动态随机载荷，是汽车结构疲劳失效外部激励载荷的重要来源，所以必须关注道路疲劳载荷的大小。《车身动态强度分析方法》(专利号:ZL200810141691.1)中，以测试的轮心加速度作为激励进行仿真，获取的载荷准确性不高，不能真实反映整车各系统及零部件受力情况。目前大多数厂家采用六分力车轮传感器测量整车行驶道路载荷，但如果将测得的轮心六分力直接施加到整车多体动力学模型上进行仿真，会导致整车漂移发散不收敛而无法求解。所以各系统及零部件载荷获取通常采用两种方法:方法一是固定车身进行整车仿真，方法二是以弹簧约束车身进行整车仿真，虽然可以仿真获取整车道路谱疲劳载荷，但实际上车身在行驶过程中是处于自由状态的，由于施加了额外的车身约束使得整车疲劳载荷谱十分不准确、精度低，不利于整车疲劳分析结果的量化评估，甚至发生错误的风险评估。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法，以准确获取整车各大系统及零部件的道路疲劳载荷谱。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1，整车四轮六分力道路谱测试:不仅仅测量四个车轮轮心处的六分力，还包括测量弹簧位移、减振器力和轴头加速度等信号，以验证载荷分析结果的准确性。
[0008]步骤2:整车设计数据收集:数据包括整车轴荷轮荷分配、设计硬点、底盘零部件质量特性、底盘衬套刚度、动力总成质量特性和悬置衬套刚度、弹簧刚度、减振器阻力特性、轴距轮距、轴荷；
[0009]步骤3:整车动力学模型建立及调校:根据收集的整车设计数据以及部件之间连接关系，建立悬架、动力总成、车身、转向、稳定杆等子系统模型，由上述子系统模型装配建立整车动力学模型；
[0010]步骤4:虚拟迭代:这一步是发明的核心环节。目的是通过虚拟迭代得到轮心Z向位移驱动信号，并以轮心Z向位移作为整车载荷分解的位移约束条件，防止整车漂移发散，同时该位移也反映了试验场可靠性道路的不平度，以及对整车轮心的垂向位移激励大小。
[0011](I)整车模型传递函数生成
[0012]以u (噪声信号)作为整车多体动力学模型仿真的驱动信号输入,仿真输出响应信号y (包括弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力)，由公式【I】计算整车模型的传递函数F
[0013]F = y/u【I】
[0014](2)初始驱动信号及第一次仿真计算
[0015]由传递函数F的逆函数F—1和测试的弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力目标信号YDesired?通过公式【2】求得一组初始的驱动信号U。
[0016]Utl = F^yllesired【2】
[0017]其中=F1—传递函数的逆函数；yitesiral—测试的目标信号，如弹簧位移、轮心Z向力力、轴头加速度一初始的位移驱动/[目号；
[0018]然后进行整车仿真，输出弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力等响应信号，将该结果与测试结果分别进行时域、频域和相对损伤值三方面比较评估。
[0019]⑶虚拟迭代
[0020]将第一次仿真计算的结果Utl作为系统轮心的初始驱动信号输入，仿真得到输出通道的响应信号将％与yDesiral比较，如果满足目标控制条件，U0就是反求的驱动信号；如果不满足，则按公式【3】修正Z向位移驱动信号，然后进行反复迭代计算，
[0021 ] Un = UF、(YDesied-Yn-!)【3 】
[0022]其中，Un是n次迭代后的驱动信号；
[0023]直到上述迭代通道的比较结果满足目标控制条件，即时域和频域信号分别吻合，相对损伤值达到目标值I，迭代结束。
[0024]步骤5、轮心Z向位移获取:
[0025]当虚拟迭代满足目标控制条件时，此时对应的轮心Z向位移即为所求的轮心位移驱动信号，作为整车载荷分解的约束条件；
[0026]步骤6、整车载荷分解:
[0027]以步骤I测试的轮心力(Ζ向力除外)和步骤5虚拟迭代得到的轮心Z向位移分别添加到四个轮心位置驱动整车进行载荷分解；
[0028]步骤7、载荷结果处理:
[0029]整车载荷分解结束后，进行仿真结果后处理，得到整车各系统及零部件疲劳载荷
-1'TfeP曰。
[0030]本发明由于采用直接测量的整车四轮轮心处的六分力作为外部道路激励输入，反映了试验场可靠性典型特征路面激励下的轮心实际受力情况，既客观又直接，避免了难以获取的轮胎参数特性对整车仿真载荷结果的影响。通过虚拟迭代技术和动力学仿真技术解决了整车系统及零部件载荷获取的技术瓶颈，在前期就可以准确的预测和优化整车结构疲劳耐久性能，减少样车阶段问题整改，缩短研发周期，降低研发成本。通过建立平台车型载荷数据库，为同平台的新车研发设计和后期系统及零部件DV试验验证，提供CAE分析载荷和台架试验验证载荷。
[0031]本发明具有很强的工程实用性，解决了传统的台架经验载荷不能准确评价整车结构疲劳耐久性能的不足，解决了直接添加测试的轴头轮心六分力导致整车漂移发散不收敛的缺陷，解决了现有技术为车身添加附加约束条件进行仿真的不准确性，避免了难以获取的轮胎参数特性对整车仿真结果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1整车四轮六分力道路谱载荷分析流程图；
[0033]图2虚拟迭代技术原理图；
[0034]图3传递函数示意图；
[0035]图4弹簧位移时域比较示意图；
[0036]图5弹簧位移频域比较示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0038]参见图1，整车四轮六分力道路谱载荷分析方法步骤如下:
[0039]1、整车四轮六分力道路谱测试
[0040]整车四轮六分力道路谱测试，不仅仅测试四轮轮心处的六分力，还包括测试弹簧位移、轮心加速度、减振器力等信号。
[0041]2、整车设计数据收集
[0042]获取真实有效的整车设计数据，是建立整车动力学模型的前提。整车设计数据，包括整车轴荷轮荷分配、设计硬点、底盘零部件质量特性、底盘衬套刚度、动力总成质量特性和悬置衬套刚度、弹簧刚度、减振器阻力特性、轴距轮距、轴荷等。
[0043]3、整车动力学模型建立及调校
[0044]根据收集的整车设计数据以及部件之间连接关系，建立悬架、动力总成、车身、转向、稳定杆等子系统模型，由上述子系统模型装配建立整车动力学模型。
[0045]模型调校的目的就是控制和保证整车动力学模型的精度，提升载荷分析的准确性。调校方法如下:
[0046](I)悬架K&C调校
[0047]K&C调校是通过悬架系统进行K&C仿真，将仿真得出的K指标和C指标与整车K&C试验结果分别进行对标，如果两者结果不吻合，须修改模型参数重新仿真，直到仿真结果与试验结果相一致，从而验证了悬架模型的准确性。
[0048](2)整车模型调校
[0049]整车模型调校保证仿真用的整车模型与试验车辆测试状态一致。整车模型调校包括:静态特性调校和动态特性调校。
[0050]静态特性调校通过静平衡仿真进行。静平衡仿真后得到的轴荷及轮荷、缓冲块间隙、弹簧变化位移、整车质心位置等结果与试验车辆静态测试结果相同。
[0051]动态特性调校主要通过轮心输入随机信号进行仿真，检查车辆部件间的运动关系，检查模型运动自由度，校核减振器特性。
[0052]4、虚拟迭代，虚拟迭代的原理参见图2:
[0053]I)整车模型传递函数生成
[0054]以u作为整车多体动力学模型仿真的驱动信号输入，仿真输出响应信号y，由公式【I】计算整车模型的传递函数F。
[0055]F = y/u【I 】
[0056]其中:F—传递函数；y—位移、力、加速度等响应信号；u—位移、力、加速度等驱动信号。
[0057]如图3所示，其中:8是弹簧位移传递函数曲线，9是减振器力传递函数曲线，10是轴头加速度传递函数曲线，11是轮心Z向力传递函数曲线。
[0058](2)初始驱动信号及第一次仿真计算
[0059]根据公式【2】和测试的弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力等目标信号计算得到轮心的Z向位移初始驱动信号，⑵由传递函数F的逆函数F—1和测试的弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力目标信号yDesiMd，通过公式【2】求得一组初始的驱动信号U0
[0060]Utl = F^yllesired【2】
[0061]其中f1 一传递函数的逆函数；yDesiral—测试的目标信号，如位移、力、加速度；U0一初始的位移、力、加速度等驱动/[目号；
[0062]然后进行整车仿真，输出弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力等响应信号，将该结果与测试结果分别进行时域(如图4所示)、频域(如图5所示)和相对损伤值(按目标值I评价)三方面比较评估。
[0063](3)虚拟迭代
[0064]将第一次仿真计算的结果Utl作为系统轮心的初始驱动信号输入，仿真得到输出通道的响应信号将％与yDesiral比较，如果满足目标控制条件，U0就是反求的驱动信号；如果不满足，则按公式【3】修正Z向位移驱动信号，然后进行反复迭代计算，
[0065]Un = ur1* (YDesied-Yn-!)【3 】
[0066]其中，Un是η次迭代后的驱动信号；
[0067]直到上述迭代通道的比较结果满足目标控制条件，即时域和频域信号分别吻合，相对损伤值达到目标值I，迭代结束。
[0068]5、轮心Z向位移获取
[0069]当虚拟迭代满足目标控制条件时，此时对应的轮心Z向位移即为所求的轮心位移驱动信号，作为整车载荷分解的约束条件，以防止整车漂移发散。
[0070]6、整车载荷分解
[0071]以步骤I测试的轮心力(Ζ向力除外)和步骤5虚拟迭代得到的轮心Z向位移分别添加到四个轮心位置驱动整车进行载荷分解。
[0072]7、载荷结果处理
[0073]整车载荷分解结束后，进行仿真结果后处理，得到整车各系统及零部件疲劳载荷
-1'TfeP曰。
[0074]本发明能够准确获取精度高的整车结构疲劳分析所需的疲劳载荷谱。这不仅可以在产品研发前期对整车结构疲劳耐久性能进行有效的预测与控制，而且大大减少了后期样车制作数量和试验轮次，缩短试验周期，降低研发成本，提升产品可靠性品质。同时，通过建立各平台车型动态载荷数据库，新车研发时就可以充分利用同平台的载荷数据库在前期进行整车结构疲劳耐久性能的预测与管控，规避后期样车试验中出现结构开裂的风险。
【权利要求】
1.一种整车四轮六分力道路谱载荷分析方法，包括以下步骤: 步骤1，整车四轮六分力道路谱测试:包括测试四轮轮心处的六分力，测试弹簧位移、轮心加速度、减振器力信号； 步骤2:整车设计数据收集:数据包括整车轴荷轮荷分配、设计硬点、底盘零部件质量特性、底盘衬套刚度、动力总成质量特性和悬置衬套刚度、弹簧刚度、减振器阻力特性、轴距轮距、轴荷； 步骤3:整车动力学模型建立及调校:根据收集的整车设计数据以及部件之间连接关系，建立悬架、动力总成、车身、转向、稳定杆等子系统模型，由上述子系统模型装配建立整车动力学模型； 步骤4:虚拟迭代:(以下内容做了调整，请审核是否有出入) (1)整车模型传递函数生成 以噪声信号u作为整车多体动力学模型仿真的驱动信号输入，仿真输出响应信号y，包括弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力，由公式【I】计算整车模型的传递函数FF = y/u【I】 (2)初始驱动信号及第一次仿真计算 由传递函数F的逆函数F1和测试的弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力目标信号yDesired?通过公式【2】求得一组初始的驱动信号U。 U0 = F、yDesired【2】 其中=F1-传递函数的逆函数；y——测试的目标信号，如弹簧位移、轮心Z向力力、轴头加速度一初始的位移驱动/[目号； 然后进行整车仿真，输出弹簧位移、轴头加速度和轮心Z向力等响应信号，将该结果与测试结果分别进行时域、频域和相对损伤值三方面比较评估； (3)虚拟迭代 将第一次仿真计算的结果Utl作为系统轮心的初始驱动信号输入，仿真得到输出通道的响应信号yo，将yo与yDe;sirai比较，如果满足目标控制条件，U0就是反求的驱动信号；如果不满足，则按公式【3】修正Z向位移驱动信号，然后进行反复迭代计算，
Un = Un_!+F_1* (YDesied-Yn-!) 【3 】 其中，Un是η次迭代后的驱动信号； 直到上述迭代通道的比较结果满足目标控制条件，即时域和频域信号分别吻合，相对损伤值达到目标值I，迭代结束； 步骤5、轮心Z向位移获取: 当虚拟迭代满足目标控制条件时，此时对应的轮心Z向位移即为所求的轮心位移驱动信号，作为整车载荷分解的约束条件； 步骤6、整车载荷分解: 以步骤I测试的轮心力，Z向力除外，和步骤5虚拟迭代得到的轮心Z向位移分别添加到四个轮心位置驱动整车进行载荷分解； 步骤7、载荷结果处理: 整车载荷分解结束后，进行仿真结果后处理，得到整车各系统及零部件疲劳载荷谱。
2.根据权利要求1所述的整车四轮六分力道路谱载荷分析方法，其特征在于，模型调校的方法如下: (1)悬架K&C调校 通过悬架系统进行K&C仿真，将仿真得出的K指标和C指标与整车K&C试验结果分别进行对标，如果两者结果不吻合，则修改模型参数重新仿真，直到仿真结果与试验结果相一致，验证悬架模型的准确性； (2)整车模型调校:包括静态特性调校和动态特性调校； 静态特性调校通过静平衡仿真进行，静平衡仿真后得到的轴荷及轮荷、缓冲块间隙、弹簧变化位移、整车质心位置结果与试验车辆静态测试结果相同； 动态特性调校通过轮心输入随机信号进行仿真，检查车辆部件间的运动关系，检查模型运动自由度，校核减振器特性。
【文档编号】G06F17/50GK104239734SQ201410494177
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】周云平, 毛显红, 许春铁, 沙大亮, 王俊翔, 欧堪华 申请人:重庆长安汽车股份有限公司