轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研究

轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研究 同济大学汽车学院 博士学位轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研究 姓名:陈栋华 申请学位级别:博士 专业:车辆 指导教师:靳晓雄 20070101 摘要 摘要 本文将先进的试验手段和现代,,,仿真技术结合起来，提出轿车开发过程中底盘零部件耐久性虚拟试验的一般方法与原则。耐久性虚拟试验可以实现零部件结构的优化设计和有限寿命设计，减少样车的试制次数，缩短开发周期，降低开发费用等，具有较高的工程应用价值。 首先介绍了轿车开发耐久性虚拟试验的一般流程与方法，并从中得出耐久性虚拟试验所包括的研究内容及其基础理论知识。之后着重对耐久性虚拟试验所需的理论知识进行阐述，完成了耐久性虚拟试验开发的理论研究。 其次完成道路载荷谱的采集工作，并分析其频域特性和统计特性，以及底盘零部件的损伤特性并据此确定了底盘零部件耐久性虚拟试验的目标部件。此外还进行了道路模拟试验，得到轮轴力位移和相应的轮轴力响应信号，这些信号可以作为耐久性虚拟试验模型的边界驱动载荷，也为轮轴力的预测创造了条件。 之后建立整车底盘系统的刚柔耦合多体仿真模型，包括模型的建立、试验验证与细化等工作，以得到精确的可供进行耐久性虚拟试验研究的仿真计算模型。然后以副车架和后桥为例研究了轿车开发底盘关键零部件的耐久性虚拟试验的流程及方法，其中包括目标部件子系统模型准确性的验证，特定试验工况的疲劳损伤计算，焊缝的模拟及寿命计算，以及力加载与位移加载两种不同虚拟模型仿真结果的对比研究等内容。 最后完成轿车开发耐久性虚拟试验方法的外推应用研究，包括以下两方面的内容:(,)以道路载荷谱数据为依据，通过试车场道路载荷谱模拟目标用户,,万公里道路载荷谱，并以此等效载荷谱作为虚拟试验模型的驱动信号，最终完成用户工况下零部件疲劳寿命的预测研究:(,)结合试验数据和理论模型实现等效试验路不平度的模拟计算，并实现新车型的轮轴力预测。关键词: 虚拟试验，疲劳寿命，预测，底盘零部件，等效试验路 ,,,,,,;, ,,,,,,,, ,,,, ,,,,, ,,,;,,,,, , ,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ;,,,,,, ;,,,,,,,,,,, ,,,,;,, ,,,,,, ,,,,;,, ,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,，,,,,, 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本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名:吊肖、槲 杪々,,年,月;『日 第,章引言 第,章引言,(,研究目的和意义 近年来随着国内汽车工业的持续快速发展，涌现出了一批具有自主知识产权的民族轿车品牌，这从一定程度上改变了国内轿车市场上外国品牌一统天下的局面;但是，这种通过委托国外公司开发设计得来的知识产权并不能从根本上提升民族汽车工业的自主研发能力，如果这种状况得不到有效解决，最终将形成有产权无知识的尴尬境地。总而言之，在核心技术方面依然过于依赖国外汽车公司，缺乏完整的自主知识产权，自主开发设计能力低，技术储备薄弱等因素成了严重制约我国汽车工业发展的瓶颈。因此，建立企业自主研发能力势在必行，也只有这样才能提高企业的核心竞争力，只有依靠我们自身的设计能力才能开发出真正适合国情的国民车来，为民族汽车工业在激烈的市场竞争中发展壮大打下坚实的基础。 耐久性试验是轿车设计开发过程中最为关键的环节之一，既是检验已有设计合格与否的有效途径，又为结构的修改和优化设计提供客观依据。同时，先进有效的试验手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。目前国内汽车企业都是通过大规模的外场(公共道路和试车场)试验考察车辆的耐久性，昂贵而且费时;迫于硬件条件的限制，对于目前国际上较为先进的室内台架试验方法也鲜有深入系统的工程应用研究。纵观国际各大汽车公司，在汽车耐久性试验研究方面经历了外场试验阶段和室内道路模拟试验阶段，积累丰硕的成果并且形成了许多成熟的耐久性试验方法。与此同时，随着现代,,,技术的飞速发展，世界各大公司纷纷利用现代,,,分析技术，通过虚拟试验来评估汽车的耐久性。将基于物理样机的外场试验和室内等效试验，同基于虚拟样机的虚拟试验有机的结合在,起来评价关键部件的可靠性。借助于此种先进的开发手段来缩短试验周期和降低开发成本，并取得了显著的效果。 现阶段国内企业对于汽车开发过程中的可靠性试验大多数停留在外场试验阶段，对于外场等效试验和室内等效试验等领域的研究较少。对于现代,,,技 第,章引言术的应用主要集中在结构,,,设计，多体动力学分析和系统优化设计，以及结构有限元分析和结构优化设计等方面。鲜有将上述各种手段结合起来，在轿车开发过程中通过耐久性虚拟试验实现关键部件的疲劳寿命预测。将先进的试验手段和现代,,,技术结合起来，也即通过实物试验和虚拟试验的有机结合实现轿车开发过程中目标零部件的疲劳寿命预估，对于这一问题的相关研究国内尚 、处于刚刚起步阶段，国外公司也没形成完全成熟的理论。 轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研究就是针对轿车底盘零部件的耐久性试验开发，利用整车的耐久性虚拟试验模型和实车的外场和室内台架试验数据，实现轿车开发过程中底盘关键零部件的疲劳寿命预测研究。本课题的研究将外场试验、室内等效试验和虚拟试验的仿真分析有机地结合在一起，探索一条耐久性虚拟试验开发的新途径。对于耐久性工程师而言，就是使其准确理解车辆在使用寿命时间内经历的载荷，开发出有效的试验程序，在试验室精确重现实际路面的载荷激励，并且通过应用相关软件进行加速试验，评价车辆的抗疲劳性能。对于,,,工程师而言，就是利用试验工程师提供的数据资料建立准确的用于车辆疲劳寿命预测评估的虚拟试验模型，并根据预测结果提出改进达到优化设计的目的。在轿车的开发过程中，最终目的是打破试验工程师和,,,工程师的界 限，使两者既有分工又有合作，实现数据的交换和共享。 本课题涉及到道路载荷谱信号的分析处理技术、振动的远程参数控制理论、结构动态分析、刚柔混耦合多体系统动力学、疲劳损伤理论、以及计算机虚拟试验技术等多门学科，是综合性的研究课题。通过本课题的研究，将实现从道路载荷谱的采集，加载谱的确定到最终通过虚拟试验模型对底盘零部件的疲劳寿命的有效预估。在课题的研究过程中，以实车的外场试验和室内试验为基础，一方面获得虚拟模型所需的加载谱，另一方面为修正和细化虚拟模型提供客观依据。通过本课题的研究希望达到以下目标，在轿车开发的前期设计阶段根据用户使用工况研究出可用于关键部件疲劳寿命预测的虚拟试验方法，并对关键零部件的可靠性做出快速准确的判断。降低开发费用，缩短开发周期，使汽车的设计真正符合用户的使用工况，也必将会大大提高以设计开发水平为代表的企业核心竞争力。 本项目由上海大众提出，由同济大学汽车学院和上海大众合作共同完成，双方不但具备完成项目所必需的硬件、软件设施和深厚的基础知识理论储备，而且积累了零部件开发试验标准研究的经验，完全能够保证本项目顺利完成。 , 第,章引言本研究课题将为制定符合中国国内汽车行驶环境条件的可靠性试验方法与试验标准提供理论基础，并提出一条前期设计阶段可用于关键部件疲劳寿命预测的虚拟试验方法，填补国内在整车开发过程中可靠性评价的虚拟试验方法与研究方面的空白，最终达到在轿车开发过程中虚拟试验和实物试验的有机结合。本研究成果可以直接为上海大众汽车有限公司所用，对国内其他汽车企业也有很好的应用参考价值。,(,国内外研究的历史和现状 外部载荷的时间历程(一般为随机性质)作用在结构上，引起结构的响应，响应信号一般包括应力、应变、加速度和力(矩)等，响应的时间历程经过计数处理，得到各种形式的累计频次分布，称之为载荷谱,,。车辆在行驶过程中，由于路面不平度的激励输入，各个部件受到随机的交变载荷作用(其大小一般低于拉伸强度值)导致部件产生微裂纹并扩展，最终导致部件的突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。汽车绝大部分结构部件的失效形式均为疲劳破坏。 国外对机械结构疲劳破坏的研究开展得很早，对于载荷谱的研究也非常细致深入。美国汽车工程师协会(,,,)是国际上最权威的汽车研究机构，他们在,,世纪,,年代出版的《零件疲劳设计》直至今天仍是进行汽车部件疲劳耐久性设计和试验的重要依据之一。美国材料试验协会(,,,,)在,,,,年发表 《疲劳试验和疲劳数据的统计分析指南》一书，首创了疲劳试验的统计研究方法,,,。在疲劳试验方面，德国的,,,,,,,由于提出,—,曲线，而被称为“疲劳试验之父”，由于参数简单明了，直到今天,—,曲线在疲劳寿命的计算领域中仍然处于十分重要的位置,,,。,,,,,,,提出的,级程序加载方法，至今仍是疲劳试验的基本方法。日本在疲劳研究方面也做出了较大贡献，疲劳计数法中最为常用的雨流法就是由日本的,,,,,,,,,和,,,,提出【,,。以美、德、日等国为代表的西方发达国家在机械构件的疲劳研究方面投入了大量的人力和物力，对飞机、汽车等机械的整机、总成和零部件的道路试验和空中飞行试验进行测试，获得了大量的载荷谱数据;之后结合先进的试验手段，从疲劳的宏观和微观机理出发开展研究，取得了丰硕的成果，疲劳理论得以不断发展并应用于工程实践中，通过标准化形成的相关疲劳试验标准,,，,,。 在金属疲劳的理论研究方面，直至今天人们都没有找到既能实际应用而又 , 第,章引言足够准确的计算模型，一般认为金属的疲劳分为低周疲劳和高周疲劳，高周疲 劳时材料处于弹性变形范围之内，而低周疲劳时材料不但存在弹性变形，且存在塑性变形。与此相对应的是产生了两个不同的材料疲劳寿命曲线，即用于计算高周疲劳寿命的材料应力寿命曲线,—,(或者,—,—,)曲线，和用于计算低周疲劳的材料应变寿命曲线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,曲线。在材料疲劳寿命的理论基础之上，通过引入构件的尺寸效应、缺口效应、表面加工方法以及平均应力等因素的影响，就形成了构件的疲劳强度理论。疲劳累积损伤理论最为常用的可归纳为以下四种，以,,,,,法则(也包括修正,,,,,法则和相对,,,,,法则)为代表的线性疲劳累积损伤理论，,,,,,,的双线性累积损伤理论，以损伤曲线法和,,,,,,,,,,,,,理论为代表的非线性累计损伤理论，以及从试验观测和分析得来的经验半经验公式总结出来的累积损伤理论【,，,，,,。 汽车的可靠性试验一般分为,大类，即实际使用道路试验、试车场试验和实验室台架试验。实际道路试验和试车场试验可以统称为外场试验，在早期的汽车耐久性试验方面具有不可替代的作用，但是具有划时代意义的却是实验室的台架耐久性试验。,,世纪,,年代，由于,,,,二级伺服阀的出现，使得液压作动器能够在较宽的频带内实现闭环控制，从而为汽车试验提供了一个有力工具。,,世纪,,年代福特公司的,,,,,,, ,(,,,,,,,提出了用液压伺服作动器进行车架疲劳试验的方法，从而把车辆部件试验推进了一大步。,,,,年，,,,,,,和,,,,,发展了有关路面模拟试验方面的理论，并把新出现的快速傅立叶变换 (,不)技术用于道路模拟方面。随着计算机技术的高速发展，在道路模拟试验台的控制技术中出现了迭代控制软件，,,世纪,,年代美国,,,公司和德国,;,,,;,公司先后推出了各自的道路模拟试验系统。自,,,,年,,,公司开发出第一台道路模拟试验机以来，其发展经历简单路面模拟、有效路面模拟和远程参数控制(,,,)等,个阶段【,,，,,，,,，,,,。 近,,年来，随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅助工程(,,,)技术被越来越多的应用于汽车的开发过程，在缩短开发周期、降低开发费用等方面取得了巨大的成功。针对整车开发过程中的试验环节，则通过虚拟试验来获得产品在不同试验环境下的动态特性、操纵稳定性和舒适性、噪声和振动特性。在整车开发耐久性试验标准研究方面，将外场试验、室内试验和现代的,,,技术有机的结合在一起，使研发工程师在概念设计阶段就能对关键部件的疲劳寿命进行预测，其中比利时,,,公司已经歼发出较为成熟的虚拟试验软件,,,,,,, , 第,章引言,,,。如何获得准确的路面加载谱，是通过虚拟试验技术进行疲劳寿命的预测的关键技术之一，对于轴耦合型整车虚拟试验模型，在样车之前无法获得准确的轮轴加载谱，轮耦合型虚拟试验模型则无法获得可供使用的精确数字化路面〔,,，,,，,,，,,〕。目前，各大汽车公司在此领域都进行了大量的研究以期有所突破。 ’国内在汽车的疲劳设计和试验方面尽管起步较晚，但是随着汽车工业的发展也取得了一定的进展。长春汽车研究所通过对解放牌系列汽车的关键零部件进行大量的道路试验和台架试验，建立了这些部件的基本加载谱，有效地估算了疲劳寿命，总结出实车使用寿命和台架试验寿命之间的当量关系【,,，,,，,,，,,’,,，。东风汽车公司,,年代与德国,,,合作首次对中国道路载荷谱进行了测试和研究分析瞄，,,，,,，,,，,,,，则在载荷谱的累积频次分布规律、极值推断方法、不敏感带设置原则等方面取得了较大的成果。管迪华和杜永昌等提出了汽车 室内道路模拟试验方法，并尝试采用闭环控制应变进行道路模拟试验，同时还应用,,,远程参数控制技术研制成功国内第一台道路模拟试验机【堋。王占奎和王秋景等结合随机载荷作用下的疲劳寿命预估模型，对现行疲劳试验标准做了合理的修正,,,,。同济大学和上海大众合作在道路模拟试验的应用研究方面取得了丰硕的成果，实现了对轿车车头子系统，后桥总成等进行有效的疲劳加速试验，大大缩短了室内疲劳试验的周期;还提出了中国典型地区、解放军总后试车场和上海大众,,,强化道路之间的载荷谱当量关系，并对轿车后桥的疲劳寿命进行了准确的预测【,,，,,’,,，,,’,,，,,’,,,。 在疲劳寿命预估方面，国内外学者、企业也进行了深入研究。平安、王德俊、徐灏等研究了二维分布载荷的顺序效应与排列顺序效应、小载荷取舍标准、载荷谱强化等等规律【,,翔(,,,。高镇同、熊峻江提出了二维动态应力一强度干涉模型【柏,。姚卫星提出基于弹塑性有限元分析的应力场强法来计算结构的疲劳寿命,,,。而,,,,,, ,,,,,、,,,, ,,,,,,提出了在计算机仿真环境中预测车身零部件疲劳寿命的方法【,,,。,,,,, ,(,,,,,、林晓斌讨论了基于有限元和载荷谱功率谱密度函数的各种疲劳寿命分析方法【,,，,,，,,，,,,。孙凌玉和吕振华结合有限元分析和功率谱密度分析了车身的寿命【,,,。英国的,,,,,公司开发了疲劳耐久性分析的软件?睿樱铮妫欤唬停樱霉就瞥的,,,(,,,,,,,;比利时,,,公司也推出载荷谱分析软件,,;,,,,和疲劳分析软件,,,,,;,，这些软件已经在世界各大汽车公司得到广泛应用，可以比较准确地预测产品的耐久性和可靠性【,,，,,,。 将先进的试验手段和现代,,,技术结合起来，也即通过实物试验和虚拟试 , 第,章引言验的有机结合实现轿车开发过程中的可靠性有效预测，对于这一问题的研究国内外均处于刚刚起步阶段。,(,(,,,,,和,(,(,,，,,研究了如何应用实车试验数据和虚拟仿真技术来优化轿车开发过程中的耐久性试验过程【,,,;,(,,,,,,,,,，,(,,,;,,,和,(,,,,,,,,,,等人则研究了如何通过虚拟,,,(,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,,)技术来获得整车耐久性虚拟试验模型的驱动信引,,】;,(,,,,,,,和,,,,,,,,系统的提出了虚拟现实技术(现代,,,技术)在轿车开发过程的应用【,,,;,,,,,,(,(,,,,,,,,给出汽车开发过程耐久性分析研究的基本流程【,,,:,(,,,,,,,,，,(,,,,,,和,(,,,,,等人进行了基于整车多体动力学模型的耐久性虚拟试验技术的应用,,,,;,,,, ,,,,,，,,,, ,,,,和,,, ,,,,,,研究了悬架系统柔性体模型和刚性体模型对仿真结果的影响【,,,;,,,,,,(,,,,,,,将多体动力学和有限元有机结合起来实现目标零部件耐久性的仿真分析,,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,,(,,,,,, ,,,,,,,,和,,,,,,,,, ,,,,,系统的阐述了虚拟试验模型的验证理论和方法,,,】;同济大学和上海大众合作，应用试验和仿真相结合的方法实现了轿车底盘零部件疲劳寿命的数字化预测【,,，,,，,,，,,,,,。,(,研究的技术路线 轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研究就是针对轿车底盘零部件的耐久性试验开发，利用整车的耐久性虚拟试验模型和实车的外场和室内台架试验数据，实现轿车开发过程中底盘关键零部件的疲劳寿命预测研究。本课题的研究将外场试验、室内 等效试验和虚拟试验的仿真分析有机地结合在一起，探索一条耐久性虚拟试验开发的新途径。打破试验工程师和,,,工程师的界限，在整车开发过程中两者既有分工又有合作，充分实现数据的交换和共享。 本课题的研究将包括“耐久性虚拟试验开发的理论与方法研究，以耐久性虚拟试验开发为?的的载荷谱分析研究，整车耐久性虚拟试验模型的建立及验证，轿车底盘关键零部件耐久性虚拟试验方法研究，和轿车开发耐久性虚拟试验方法的外推应用研究”等,个部分内容。其各自得主要研究内容分别为: (,)首先介绍轿车开发耐久性虚拟试验的一般方法与流程，并提出耐久性虚拟试验的研究内容及其包括的基础理论知识。之后着重对耐久性虚拟试验所涵盖的理论知识进行阐述并完成理论研究，为整篇论文的研究奠定理论基础。 (,)通过目标用户道路和试车场载荷谱采集试验和数据分析，获得底盘系 , 第,章引言统载荷谱的基本特征并确定底盘系统零部件的疲劳弱点;并完成以轮轴力信号为目标的室内道路模拟试验，获得轮轴位移信号和轮轴力响应信号。 (,)结合现代,,,分析技术，建立刚柔耦合多体动力学理论模型通过虚拟试验评估目标零部件的疲劳耐久性。为了使建立的虚拟试验模型拥有足够高的准确度，必须搭建相应的台架试验模型并对其进行校核和修正，以获得较为准确的虚拟试验模型。 (,)将试验获得的加载谱信号施加到虚拟试验模型上，通过仿真分析得到关键零部件的边界载荷条件;之后，将此边界条件输入到相关零部件的有限元模型中计算出其疲劳损伤值，实现目标部件疲劳寿命的数字化预测和对比分析，并总结出耐久性虚拟试验的一般方法与流程。 (,)对耐久性虚拟试验方法的应用进行深入研究，实现关键零部件目标用户地区,,万公里的疲劳损伤计算;以及通过轮轴力的外推研究，实现样车之前的关键零部件疲劳寿命预测，使耐久性虚拟试验方法得到推广应用。 综上所述，本文的技术路线如图,(,所示。 ,蕊搿瀣,蜊寝?杖嬲 第,章耐久性虚拟试验开发的理论与方法概述 第,章耐久性虚拟试验开发的理论与方法概.