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基于虚拟路面的载荷预测

发布时间：2023-03-21 19:55:50 来源：文档文库

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基于虚拟路面的载荷预测　刘立刚　（泛亚汽车技术中心有限公司，上海２０１２０１）　【摘要】　耐久性能是评价汽车品质的重要指标之一，载荷的获取是预测车辆疲劳寿命的关键因素。在　车辆前期开发阶段，没有样车、没有实际零件的条件下，如何进行零件的强度校核和疲劳寿命预测，传统基于样　车带有各种测量设备的载荷获取方式正面临着严重挑战。通过对驾驶员模型、路面模型和轮胎模型等关键技术　的深入探讨，提出了基于虚拟路面的载荷预测方法，为降低路试采谱强度，节约开发成本，缩短开发周期和虚拟　试车场的建立提供了重要参考。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐａｒｔｓ，ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｂｉｇ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｆｏｒ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗｉｔｈ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｉｎｓｔｕｒｍｅｎｔｓ．Ｂｙ　ａ　ｄｅｅｐ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｒ　ｍｏｄｅｌ，ｒｏａｄ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｉｒｅ　ｍｏｄｅｌ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｏａｄ　ｐｒｏｆｉｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｒｏａｄ　ｌｏａｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，ｓａｖｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｏｓｔ，ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｖｉｎｇ　Ｇｒｏｕｎｄ．　【关键词】疲劳寿命虚拟路面载荷预测　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１５．Ｏ１．０５　少实际样车道路采集的前提下，提供虚拟载荷驱　０　引言　动整车、子系统及零部件进行台架疲劳试验，能有　效降低开发成本，提高工作效率。　面对激烈的市场竞争，针对汽车耐久试验周　随着虚拟技术和计算机技术的发展，使载荷　期长、数采强度大、零件更改代价高等一系列问　获取的方式从基于样车的测量到基于虚拟环境的　题，在前期开发阶段准确地预测疲劳寿命是一项　仿真计算成为可能，并且在整车开发中起着越来　巨大的挑战，其中在项目前期如何获取耐久试验　越重要的角色。国外的一些汽车厂家，在虚拟道　的载荷十分关键。由于传统的静态载荷在预测零　路载荷方面的研究起步比较早，美国通用汽车早　部件的瞬态疲劳问题上有自身的缺陷，比如无法　在９０年代即开始研究基于虚拟路面的载荷预测，　预测零件调试对载荷的影响，开发基于实际试车　经历了从２Ｄ路面到３Ｄ路面的发展，花了近１０年　场的虚拟路面载荷预测方法，是结构耐久动态载　的时间开发了这项技术，并成功地用于整车项目　荷有效预测的关键技术。这不仅可为底盘、车身　的开发，减少了数采强度，甚至在骡子车阶段完全　等零件前期设计阶段的疲劳仿真提供准确的载荷　替代了基于实际车辆的道路载荷数据采集。在国　输人，保证设计的精益和优化；同时可以在有效减　内，目前尚没有成功的应用案例，大部分汽车厂　收稿日期：２０１４—１１—０６　・２２・　上海汽车２０１５．０１　

道信息和汽车的即时状态横向位移Ｙ（ｔ）与横向速　度　（　），及其对车速与前视时间的判断，来确定一　个最优的轨迹曲率。驾驶员模型力矩的输入表达　式为　Ｍ　＝Ｋａ・Ａｙ＋Ｋｂ△　（２）　式中：　为方向盘控制力矩；Ａｙ为轨道误差；　为轨道误差微分；　。，　为反馈系数。　对不同反馈系数的选取，直接影响到仿真的　收敛性。由于该系数不容易被试探到，建议通过　多体动力学理论，根据自行车模型的线性状态方　程直接计算方向盘的转角，进行路径的控制。方　向盘的转角控制方程为　卢＝Ｓ　‘　（３）　式中：　为方向盘转角；Ｓ　为转向传动比；６为车轮　转角。　其中车轮的转角方程为　６ｚ　一　≈———————　—等等　）—　——　—　｝一　　ｄ。（ｄ＋ｚ’（　一　））　式中：口为车辆质心到前轴的距离；ｂ为车辆质心　到后轴的距离；ｍ　为整车质量；／／，为车辆行驶速　度；Ｃ　为前轴侧偏刚度；Ｃ　为后轴侧偏刚度；ｄ为　前视距离。　图３显示了当有路径控制和无路径控制时，　车辆在直线比利时路上的侧向位移对比，可以发　现，在没有路径控制时，行驶１６０　ｍ后，车辆跑偏　了０．６５　ｍ，有路径控制时，侧向跑偏很小，基本变　化在正负０．０２５　ｍ之内。　扭霞　堪　留　纵向行驶距离／ｍ　图３有无路径控制的车辆跑偏对比　・２４・　２　路面模型　２．１路面模型类型　按空间维度，路面模型可以分为２Ｄ和３Ｄ路　面。对于路面特征仅是沿纵向分布的，可以用２Ｄ　路面描述；对于路面特征不仅存在纵向分布，也有　侧向分布时，则用３Ｄ路面描述。广泛用于多体动　力学软件的路面格式主要有：（１）等效容积路面　（ＲＤＦ）是由一系列空间三角网格面构成的３Ｄ路　面。主要包含路面节点数量、构成三角单元的每　个节点的坐标和节点序号、坐标点集的连接关系　及其轮胎与路面间的静、动摩擦系数。（２）规则栅　格路面（ＲＧＲ）通过指定等间隔的纵向和侧向间　距，按行的序列记录路面的高程信息。当在ＲＤＦ　文件中指定３Ｄ样条曲线时，栅格节点将沿曲率均　匀分布，见图４—５。（３）曲线栅格路面（ＣＲＧ）可　以沿曲线路径定义规则栅格相应行和列的高程，　不同的是横向间距可以调整，由奥迪、宝马、戴姆　勒等整车研发中心组成的工作组在２００８年将　ＣＲＧ格式作为一种开放性的虚拟路面解决方案予　以公开。　图４规则栅格路面　路面模型的创建可以根据工程设计图纸、公　式或扫描测量的方式获得。不同路面格式的文件　可以通过专业软件或手动编程进行相互之间的　转化。　上海汽车２０１５．０１　

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