CN110309598A - 一种虚拟试验场的创建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种虚拟试验场的创建方法，包括：真实试验场耐久路面数字化，生成耐久道路的数字路面；通过Ftire轮胎试验与参数辨识，生成模型属性文件；建立整车多体动力学模型并调试验证；提取虚拟载荷信号，并进行对标验证。本发明创建虚拟试验场，将传统的实车试验场路谱采集和多体动力学载荷分解过程进行虚拟化集成，缩短了汽车内部动态载荷数据的获取周期，能够有效促进底盘及车身疲劳分析与校核在整车开发中的前期介入，节约项目周期与成本。

Description

一种虚拟试验场的创建方法

技术领域

本发明属于汽车开发领域，特别是涉及到一种虚拟试验场的创建方法。

背景技术

在汽车开发领域，耐久性能是汽车的重要分析指标。研发工程师在实际工作中获取汽车车身、悬架杆件、副车架等零部件的动态载荷数据，即各零部件的动态载荷历程输入，是开展汽车耐久性能仿真分析工作的前提。传统的分析方法是在第一台开发车装配完成后进行真实汽车试验场的路谱采集试验，获取轮心六分力、加速度、二力杆件的力、弹簧力、减震器位移等数据；再通过搭建对应车型的整车多体动力学模型，将采集的轮心力等信号进行模型输入或虚拟迭代，从而得到内部杆件之间的力传递关系与载荷历程信号，再开展零部件的耐久分析。这种分析方法需要经过单独的试验场路谱采集试验和载荷仿真分解过程，周期长，成本高，且耐久开发过程安排较为滞后，底盘零部件的结构与布置形式基本定型，此时再开展耐久分析不便于车身和底盘零部件的结构调整与优化，甚至造成整个汽车开发周期的延后，影响产品上市。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种虚拟试验场的创建方法，通过本发明能够在汽车开发早期获取车身与悬架内部杆件间的动态载荷数据。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种虚拟试验场的创建方法，包括：

S1、真实试验场耐久路面数字化，生成耐久道路的数字路面；

S2、通过Ftire轮胎试验与参数辨识，生成模型属性文件；

S3、建立整车多体动力学模型并调试验证；

S4、提取虚拟载荷信号，并进行对标验证。

进一步的，步骤S1中所述耐久路面数字化的具体方法包括：

S11、对于按照设计图纸严格施工完成、路面特征可用工具直接测量的道路，首先依据道路设计图纸利用三维绘图软件绘制该种道路的三维模型；再通过软件对路面表层进行三角网格划分，网格大小按照路面的总长度和局部特征选择边长尺寸；最后将网格划分后的路面文件进行格式编辑，定义网格路面中的节点编号、连接关系以及各三角平面的摩擦系数，从而生成该种耐久道路的数字路面；

S12、对于不规则道路，采用激光扫描的方法，首先采用安装在汽车上的激光扫描仪对试验场道路进行扫描，利用光学折射原理，精确测量激光探头与路面各个特征点的相对距离与角度，同时以GPS设备实时记录激光扫描仪相对该道路的位置和方位，由以上两组数据即可反算出道路特征分布点云模型，最后通过对道路点云模型的数据提取和正方形网格划分，得到生成该种耐久道路的数字路面。

进一步的，步骤S2中所述Ftire轮胎试验的具体方法包括：

Ftire轮胎建模，轮胎的表层与主体分开，用80-200个集中质量的带束节点来表示轮胎结构中的帘布、钢丝、橡胶材料，节点与节点之间增加了弹簧与阻尼，描述轮胎的振动以及侧偏特性。

进一步的，步骤S2中所述参数辨识的具体方法包括：

将特性型号的轮胎进行试验，并以试验数据为基础进行模型参数辨识，生成模型属性文件；

其中，在轮胎试验中，首先对Ftire建模所需试验工况进行梳理，将各工况与台架测试能力相结合，再根据轮胎性能和台架能力确定轮胎加载范围；

在模型辨识过程中，操作者对轮胎多个参数进行选取，同时依据试验结果与模型输出结果的对比，对不同参数进行合理组合与调整，不断优化轮胎模型输出结果的准确度，最终得到能够兼顾轮胎面内和面外特性的模型属性文件，即可用于多体动力学仿真。

进一步的，步骤S3中所述建立整车多体动力学模型的具体方法包括：

利用MSC.Adams软件建立整车多体动力学模型，保留各连接件间的约束与受力关系；其中首先需要分系统建立汽车的不同部分，包括麦弗逊前悬架系统、扭力梁后悬架系统、动力总成系统、车身系统、转向系统、轮胎系统、稳定杆系统、制动系统；然后建立系统与系统之间的衬套连接，根据实际连接关系在软件中设置衬套为刚性连接或橡胶弹性连接，保证模型中各部分的连接与受力与真实车辆相同。

进一步的，步骤S3中所述整车多体动力学模型的调试验证，对模型进行的调试包括：

S31、部分零部件柔性化，将容易引起变形的零部件进行柔性化处理；

S32、弹性元件参数输入，主要包括橡胶衬套、弹簧与减震器；橡胶衬套分别测量静刚度和动刚度特性；减震器测量不同极限加载速度下的阻尼力特性；弹簧进行刚度测量；

S33、悬架静态特性调试，对前、后悬架分别进行垂向刚度、纵向刚度、侧向刚度以及侧倾刚度的仿真，对比试验数据，对橡胶衬套、弹簧、稳定杆的参数进行微调，使得仿真的悬架刚度结果与试验值一致；

S34、悬架动态特性调试，基于悬架的传递特性，即在减震器上端受到车轮振动的响应过程，运用激励信号在四立柱试验台架上进行整车扫频试验，并建立轮心振动加速度和减震器上端振动加速度的振动传递函数关系；将同样的激励信号输入到虚拟的四立柱台架中，并进行仿真，同样建立传递函数；对悬架中橡胶衬套的阻尼系数与减震器的阻尼特性曲线进行调整，使得两个传递函数趋于吻合。

进一步的，步骤S4中所述提取虚拟载荷信号的具体方法包括：

将调试验证后的整车多体动力学模型的基础上增加试验场数字路面，并设定与实际行驶程序相同车速，进行MSC.Adams软件仿真求解，从而得到汽车内部各零部件之间的力的传递关系；通过模型中建立的request单元得到虚拟载荷信号，即仿真结束后，request会将各个连接点的受力变化或位移变化等过程实时记录并输出，生成时域信号；此外，其他信息包括减震器上下安装点的位移变化、车轮跳动的加速度变化、衬套变形量，都通过request记录与输出。

进一步的，步骤S4中所述对标验证包括：

将提取的虚拟载荷信号和试验场车辆设备获取的信号进行对标，对标范围包括轮心六向受力、轮心加速度、减震器力、减震器位移，减震器上端三向加速度；对标方法包括：时域内的信号吻合度、转化后的频率内功率谱密度曲线吻合度、时域信号的计算伪损伤值。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明创建虚拟试验场，将传统的实车试验场路谱采集和多体动力学载荷分解过程进行虚拟化集成，缩短了汽车内部动态载荷数据的获取周期，能够有效促进底盘及车身疲劳分析与校核在整车开发中的前期介入，节约项目周期与成本。

附图说明

图1是本发明实施例虚拟试验场仿真示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将结合附图来详细说明本发明。

如图1所示为本发明虚拟试验场仿真示意图，本发明所述虚拟试验场的创建共包括四方面的内容。

(1)真实试验场耐久路面数字化

真实的汽车试验场为验证汽车的不同性能划分为多种路面类型，其中耐久道路就是为了验证汽车的疲劳耐久性能而建设的，一般包括振动路、正弦波路、坑洼路、扭曲路以及比利时路、卵石路、不规则混凝土路等等。对于耐久道路的数字化过程可分为两种技术手段：人工创建和激光扫描。

人工创建的数字路面是针对诸如振动路、坑洼路、扭曲路等路面特征可用工具直接测量的道路，该种道路中凸起或凹陷的特征尺寸是按照设计图纸严格施工完成的，因此可依据道路设计图纸利用三维绘图软件CATIA绘制该种道路的三维模型，再利用Hyermesh软件对路面表层进行三角网格划分；网格大小需要按照路面的总长度和局部特征选择10-200毫米的边长尺寸，尺寸选择的目的一是为了保证路面的网格模型能够准确表现真实路面的特征，二是要使生成的路面文件尽量小，保证后期进行多体动力学仿真时的效率；最后将网格划分后的路面文件进行格式编辑，定义网格路面中的节点编号、连接关系以及各三角平面的摩擦系数，从而生成该种耐久道路的数字路面，格式为*.rdf。

激光扫描的数字路面则是针对诸如比利时路、卵石路、不规则混凝土路、砂石路等道路，若对这些道路进行每个砖块或卵石形状尺寸和高度的精确测量，会耗费巨额的时间与人力资源，因此不适合用人工创建的方法进行路面数字化过程，而采用激光扫描的方法则能够有效降低测量工作量，且能够有效保证数字路面的精度。这种方法首先采用安装在汽车上的激光扫描仪对试验场道路进行扫描，利用光学折射原理，精确测量激光探头与路面各个特征点的相对距离与角度，同时以GPS设备实时记录激光扫描仪相对该道路的位置和方位，由以上两组数据即可反算出道路特征分布点云模型，最后通过对道路点云模型的数据提取和正方形网格划分，网格精度可精细至5*5毫米，这样即可得到生成该种耐久道路的数字路面，格式为*.crg。

(2)Ftire轮胎试验与参数辨识，生成模型属性文件，

轮胎是汽车与道路的唯一接触部分，对于承载汽车重量和缓解道路激励引起的车辆振动起着决定性的作用，因此构建虚拟试验场必定要考虑轮胎对整车力学特性的传递作用。

Ftire轮胎模型适用于耐久工况仿真，其建模方法是轮胎的表层与主体分开，用80-200个集中质量的带束节点来表示轮胎结构中的帘布、钢丝、橡胶等材料，节点与节点之间增加了弹簧与阻尼，从而能够描述轮胎的振动以及侧偏等特性。

运用Ftire轮胎模型首先需要将特性型号的轮胎进行试验，并以试验数据为基础进行模型参数辨识，生成模型属性文件，才能有效开展多体动力学仿真。在轮胎试验中，首先对Ftire建模所需试验工况进行梳理，将各工况与台架测试能力相结合，再根据轮胎性能和台架能力确定轮胎加载范围，最大限度接近轮胎的受力工况，以便于覆盖轮胎在不同道路工况中时受力范围。具体测试工况包括：侧偏试验、纵滑试验、三向静刚度试验、动刚度试验、凸块试验、外部尺寸和接触印迹测量等；试验台架包括：轮胎六分力测试台架、轮胎刚度测试台架、轮胎高速均匀性测试台架。在模型辨识过程中，需要操作者对轮胎多个参数进行有经验的选取，同时依据试验结果与模型输出结果的对比，对不同参数进行合理组合与调整，不断优化轮胎模型输出结果的准确度，最终得到的能够兼顾轮胎面内和面外特性的模型属性文件即可用于多体动力学仿真。

(3)整车多体动力学模型建立及调试验证

利用MSC.Adams软件建立整车多体动力学模型，其优势在于可以简化汽车结构，同时保留各连接件间的约束与受力关系，而对于实际的零件结构并不关注。在实际建模操作中，首先需要分系统建立汽车的不同部分，如麦弗逊前悬架系统、扭力梁后悬架系统、动力总成系统、车身系统、转向系统、轮胎系统、稳定杆系统、制动系统。系统与系统之间由衬套连接，可以根据实际连接关系在软件中设置衬套为刚性连接或橡胶弹性连接，从而保证模型中各部分的连接与受力与真实车辆相同。

若将该模型用于虚拟试验场仿真时，需要对模型进行的调试包括以下几个方面：

(3.1)部分零部件柔性化。物体受到外力的作用或多或少都会发生变形，汽车在真实的使用环境中行驶时，底盘中的摆臂和扭梁都会因受力作用而发生弯曲或扭转变形，特别是诸如稳定杆和扭力梁，这种结构的采用本就是为了让两侧车轮在向上或向下不同程度的运动时，稳定杆或扭力梁两侧运动幅度不一致，从而在其内部产生扭转力矩，从而帮助车轮恢复到同一高度状态。因此将这种容易引起变形的零部件进行柔性化处理，能够提高模型仿真的准确度，从而得到更加准确的虚拟试验场载荷数据。

(3.2)弹性元件参数输入。汽车中的弹性元件主要包括橡胶衬套、弹簧与减震器，其中橡胶衬套与减震器呈非线性特性，且在稳态加载和高频激励下的性能表现完全不同，而弹簧则能够表现为稳定的线性特性，变形大小仅与加载力有关。弹性元件的参数获取需要通过试验测量的方式，用于虚拟试验场仿真的零部件参数测量需要特别处理。橡胶衬套需要分别测量静刚度和动刚度特性，静刚度需要最大限度的保证其非线性刚度区域的完整性；减震器需要测量不同极限加载速度下的阻尼力特性，最高加载速度不得低于3.0m/s；弹簧的刚度测量不需特殊要求，但要确保测试数据的准确性。

(3.3)悬架静态特性调试。依据悬架运动学和弹性运动学理论，当车轮在上下跳动时，会引起车轮定位角度和杆件受力的变化。对前、后悬架分别进行垂向刚度、纵向刚度、侧向刚度以及侧倾刚度的仿真，对比试验数据，对橡胶衬套、弹簧、稳定杆的参数文件进行微调，使得仿真的悬架刚度结果与试验值一致。特别注意的是，在进行悬架刚度的仿真时，必须要考虑悬架刚度的非线性区域，以及缓冲块间隙，最大范围的对比悬架刚度的仿真值与试验值。

(3.4)悬架动态特性调试。由于悬架结构中存在橡胶衬套、减震器等非线性元件，当悬架在动态激励过程中，由于阻尼的影响使得悬架特性发生变化，而虚拟试验场仿真就是一个虚拟的汽车动态行驶仿真过程，因此需要对衬套和减震器的阻尼特性进行调试。调试方法是基于悬架的传递特性，即在减震器上端受到车轮振动的响应过程。运用特定的激励信号在四立柱试验台架上进行整车扫频试验，并建立轮心振动加速度和减震器上端振动加速度的振动传递函数关系；将同样的激励信号输入到虚拟的四立柱台架中，并进行仿真，同样建立传递函数；对悬架中橡胶衬套的阻尼系数与减震器的阻尼特性曲线进行调整，使得两个传递函数趋于吻合。

(4)虚拟载荷提取与对标

试验车辆在试验场中进行耐久性能验证时，均是按照指定顺序的道路工况和车速行驶的，因此在进行虚拟试验场仿真时，需要将调试后的整车多体动力学模型的基础上增加试验场数字路面，并设定与实际行驶程序相同车速，进行MSC.Adams软件仿真求解，从而得到汽车内部各零部件之间的力的传递关系。虚拟载荷信号的提取是通过模型中建立的request单元得到的，仿真结束后，request会将各个连接点的受力变化或位移变化等过程实时记录并输出，生成时域信号。此外，其他诸如减震器上下安装点的位移变化、车轮跳动的加速度变化、衬套变形量等信息均可通过request记录与输出。

仿真输出的时域信号可以和试验场车辆设备获取的信号进行对标，从而验证虚拟试验场仿真得到的载荷精度，对标范围包括轮心六向受力、轮心加速度、减震器力、减震器位移，减震器上端三向加速度。对标方法有几种，包括：时域内的信号吻合度、转化后的频率内功率谱密度曲线吻合度、时域信号的计算伪损伤值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟试验场的创建方法，其特征在于，包括：

S1、真实试验场耐久路面数字化，生成耐久道路的数字路面；

S2、通过Ftire轮胎试验与参数辨识，生成模型属性文件；

S3、建立整车多体动力学模型并调试验证；

S4、提取虚拟载荷信号，并进行对标验证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述耐久路面数字化的具体方法包括：

S11、对于按照设计图纸严格施工完成、路面特征可用工具直接测量的道路，首先依据道路设计图纸利用三维绘图软件绘制该种道路的三维模型；再通过软件对路面表层进行三角网格划分，网格大小按照路面的总长度和局部特征选择边长尺寸；最后将网格划分后的路面文件进行格式编辑，定义网格路面中的节点编号、连接关系以及各三角平面的摩擦系数，从而生成该种耐久道路的数字路面；

S12、对于不规则道路，采用激光扫描的方法，首先采用安装在汽车上的激光扫描仪对试验场道路进行扫描，利用光学折射原理，精确测量激光探头与路面各个特征点的相对距离与角度，同时以GPS设备实时记录激光扫描仪相对该道路的位置和方位，由以上两组数据即可反算出道路特征分布点云模型，最后通过对道路点云模型的数据提取和正方形网格划分，得到生成该种耐久道路的数字路面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述Ftire轮胎试验的具体方法包括：

Ftire轮胎建模，轮胎的表层与主体分开，用80-200个集中质量的带束节点来表示轮胎结构中的帘布、钢丝、橡胶材料，节点与节点之间增加了弹簧与阻尼，描述轮胎的振动以及侧偏特性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述参数辨识的具体方法包括：

将特性型号的轮胎进行试验，并以试验数据为基础进行模型参数辨识，生成模型属性文件；

其中，在轮胎试验中，首先对Ftire建模所需试验工况进行梳理，将各工况与台架测试能力相结合，再根据轮胎性能和台架能力确定轮胎加载范围；

在模型辨识过程中，操作者对轮胎多个参数进行选取，同时依据试验结果与模型输出结果的对比，对不同参数进行合理组合与调整，不断优化轮胎模型输出结果的准确度，最终得到能够兼顾轮胎面内和面外特性的模型属性文件，即可用于多体动力学仿真。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述建立整车多体动力学模型的具体方法包括：

利用MSC.Adams软件建立整车多体动力学模型，保留各连接件间的约束与受力关系；其中首先需要分系统建立汽车的不同部分，包括麦弗逊前悬架系统、扭力梁后悬架系统、动力总成系统、车身系统、转向系统、轮胎系统、稳定杆系统、制动系统；然后建立系统与系统之间的衬套连接，根据实际连接关系在软件中设置衬套为刚性连接或橡胶弹性连接，保证模型中各部分的连接与受力与真实车辆相同。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述整车多体动力学模型的调试验证，对模型进行的调试包括：

S31、部分零部件柔性化，将容易引起变形的零部件进行柔性化处理；

S32、弹性元件参数输入，主要包括橡胶衬套、弹簧与减震器；橡胶衬套分别测量静刚度和动刚度特性；减震器测量不同极限加载速度下的阻尼力特性；弹簧进行刚度测量；

S33、悬架静态特性调试，对前、后悬架分别进行垂向刚度、纵向刚度、侧向刚度以及侧倾刚度的仿真，对比试验数据，对橡胶衬套、弹簧、稳定杆的参数进行微调，使得仿真的悬架刚度结果与试验值一致；

S34、悬架动态特性调试，基于悬架的传递特性，即在减震器上端受到车轮振动的响应过程，运用激励信号在四立柱试验台架上进行整车扫频试验，并建立轮心振动加速度和减震器上端振动加速度的振动传递函数关系；将同样的激励信号输入到虚拟的四立柱台架中，并进行仿真，同样建立传递函数；对悬架中橡胶衬套的阻尼系数与减震器的阻尼特性曲线进行调整，使得两个传递函数趋于吻合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中所述提取虚拟载荷信号的具体方法包括：

将调试验证后的整车多体动力学模型的基础上增加试验场数字路面，并设定与实际行驶程序相同车速，进行MSC.Adams软件仿真求解，从而得到汽车内部各零部件之间的力的传递关系；通过模型中建立的request单元得到虚拟载荷信号，即仿真结束后，request会将各个连接点的受力变化或位移变化等过程实时记录并输出，生成时域信号；此外，其他信息包括减震器上下安装点的位移变化、车轮跳动的加速度变化、衬套变形量，都通过request记录与输出。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中所述对标验证包括：

将提取的虚拟载荷信号和试验场车辆设备获取的信号进行对标，对标范围包括轮心六向受力、轮心加速度、减震器力、减震器位移，减震器上端三向加速度；对标方法包括：时域内的信号吻合度、转化后的频率内功率谱密度曲线吻合度、时域信号的计算伪损伤值。