CN110414052A - 一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，计算各部件的模态中性文件，建立多种数字路面模型，即虚拟路面，利用模态中性文件建立整车多柔性体模型，即多柔性体数字样车，使多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶，在行驶过程中获得各部件的应力变化历程，将各部件的应力变化历程输入疲劳分析软件，进行疲劳损伤值或疲劳寿命计算，本发明完全利用计算机仿真手段来完成车辆结构在道路载荷激励下的疲劳损伤，避免了物理样车试制、传感器安装布置和试验场实际道路试验等环节，降低了人力、物力和时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及整车路试疲劳仿真的技术领域，特别涉及一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法。
背景技术
为实现汽车产品耐久性能的量化设计，在汽车开发过程中，需要用仿真手段计算车辆结构在道路载荷激励下的疲劳损伤，判断车辆结构是否满足整车耐久路试要求，并根据计算结果进行整改和优化。
目前整车路试疲劳仿真技术是针对物理样车在关键位置进行传感器布置，然后样车在试验场进行道路实验，测量样车行驶时轮心的六分力或者三向加速度信号。然后在多体动力学分析软件中建立整车动力学模型，进行虚拟迭代，以轮心处的实测信号为输入，最终迭代计算出各零件接附点的载荷；然后用有限元方法，以迭代得到的接附点载荷为输入，计算得到各部件的应力应变时间历程；然后采用疲劳分析软件进行瞬态分析，根据各部件的应力历程，计算部件的疲劳损伤值或疲劳寿命。从样车制造运输、传感器安装布置、试验场道路测试需要耗费大量时间和费用；利用多体动力学软件进行载荷虚拟迭代也需要大量时间，而且通常载荷计算的精度也不高；有限元法进行应力时间历程计算也需要耗费大量的时间，有限元结果精度也不易保证。另外载荷采集和分解工作只能在制造出物理样车后才能进行，无法在车型开发的早期进行，从而导致疲劳疲劳分析工作延后，影响项目整体进度。
如申请号为201811509087 .X的中国发明专利公开了一种新车型载荷分解方法及装置，该载荷分级方法只是用来提取车体结构所受的载荷，驱动数字样车在虚拟路面上行驶，得到车身和底盘件各接附点载荷， 如果用这个载荷来进行疲劳计算，还需要用有限元法，建立车体结构的有限元模型，以载荷为输入进行瞬态分析，来计算出结构的动应力时间历程，然后再使用疲劳软件进行疲劳分析，工作量大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法。
本发明的技术方案是：
一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：
1）计算各部件的模态中性文件；
2）建立多种数字路面模型，即虚拟路面；
3）利用模态中性文件建立整车多柔性体模型，即多柔性体数字样车；
4）使多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶；
5）在行驶过程中获得各部件的应力变化历程；
6）将各部件的应力变化历程输入疲劳分析软件，进行疲劳损伤值或疲劳寿命计算。
进一步地，所述模态中性文件利用有限元软件计算出来。
进一步地，所述模态中性文件包括模态振型和模态应力信息。
进一步地，所述数字路面模型在Adams软件中建立。
进一步地，在步骤3）中，将所述模态中性文件导入Adams软件，建立整车多柔性体模型。
进一步地，在步骤4）中，将多柔性体数字样车和虚拟路面同时导入Adams软件，在Adams软件中驱动多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶。
进一步地，利用Adams软件中的应力恢复模块在Adams软件中计算各部件的应力变化历程。
本发明的有益效果是：
本发明完全利用计算机仿真手段来完成车辆结构在道路载荷激励下的疲劳损伤，避免了物理样车试制、传感器安装布置和试验场实际道路试验等环节，降低了人力、物力和时间成本。
本发明避免了多体动力学软件载荷迭代分解和有限元软件应力时间历程计算，节省时间的同时还提高了计算精度。
本发明能够在车型开发的概念阶段即可完成整车结构疲劳性能的分析优化，从而缩减车型开发周期，节省开发成本。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式参见图1：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，如图1，包括以下步骤：
1）利用有限元软件计算各部件的模态中性文件，该模态中性文件为MNF文件，所述模态中性文件包括模态振型和模态应力信息。
主流的商用有限元软件都可实现MNF文件的计算，因此将需要进行疲劳分析的各部件(例如车身、摆臂、扭力梁等)划分有限元网格，进行材料属性和单元属性设置，然后进行模态分析即可得到MNF文件， MNF文件需要包含模态振型和模态应力信息，在进行模态分析时确保进行模态振型和模态应力分析。
2）在Adams软件建立多种数字路面模型，即虚拟路面。
利用Adams软件中的Road Builder模块建立数字路面模型，数字路面模型的空间谱密度应与试验场实际路面在空间谱密度近似相等，在几何特征上也要接近一致。
3）将模态中性文件导入Adams软件，利用模态中性文件在Adams软件中建立整车多柔性体模型，即多柔性体数字样车。
利用Adams/CAR软件搭建整车多体动力学模型。首先根据新车型设计数据（硬点坐标、质量特性、衬套参数、弹簧和减震器参数、轴距轮距等），建立前后悬架、车身、转向系统、动力总成等子系统，再将各个子系统的模型装配为整车多刚性体模型；然后还要进行K&C验证、静平衡状态校核和衬套减震器特性修正等操作，以保证整车多刚性体模型的准确性；建立整车多刚性体模型后，再导入各部件的MNF文件，替换掉整车模型中的相应刚性体部件，就形成了整车多柔性体模型，即柔性体数字样车，柔性体样车不仅能考虑机构运动，还能考虑结构的弹性变形，所以多体动力学仿真精度更高。
4）将多柔性体数字样车和虚拟路面同时导入Adams软件。
在Adams中导入步骤3）中建立好的柔性体数字样车，指定整车分析，然后在路面选择环节指定步骤2）中建好的数字路面模型，利用该整车多柔体模型和数字路面，即可仿真车辆在试验场特定路面的行驶状态。
5）在Adams软件中驱动多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶。
柔性体数字样车在不同虚拟路面上的行驶速度需根据实车耐久性道路试验规范来确定。
6）在行驶过程利用Adams软件中的应力恢复模块在Adams软件中计算各部件的应力变化历程。
完成样车在数字路面行驶的仿真后，即可利用Adams的Durability模块计算输出部件的应力历程。Durability模块实际输出的是部件各阶模态坐标的时间历程a，与部件各阶模态应力b相乘迭加即为部件的应力时间历程c，即a*b=c。其中部件各阶模态应力b在步骤1）中计算得出，以应力结果文件的形式输出。
本发明中驱动数字样车在虚拟路面行驶能够直接得到结构在路面激励下的动态应力时间历程，不需要有限元瞬态求解的环节，节省了大量的人力和计算成本。
7）将各部件的应力变化历程输入疲劳分析软件，进行疲劳损伤值或疲劳寿命计算。
将步骤5）得到的部件应力时间历程c导入疲劳分析软件，完成材料疲劳特性参数设置，即可计算得到该部件行驶于该段路面所导致的疲劳损伤值。计算得到各段路面的疲劳损伤值，再根据整车耐久性路试规范所定义的路面组合和循环次数，即可预测出该部件完成整套道路试验的损伤值。根据计算结果，可以判断部件的耐久性能是否合格，并进行适当的优化整改。
Claims (7)
1.一种基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）计算各部件的模态中性文件；
2）建立多种数字路面模型，即虚拟路面；
3）利用模态中性文件建立整车多柔性体模型，即多柔性体数字样车；
4）使多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶；
5）在行驶过程中获得各部件的应力变化历程；
6）将各部件的应力变化历程输入疲劳分析软件，进行疲劳损伤值或疲劳寿命计算。
2.根据权利要求1所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：所述模态中性文件利用有限元软件计算出来。
3.根据权利要求2所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：所述模态中性文件包括模态振型和模态应力信息。
4.根据权利要求3所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：所述数字路面模型在Adams软件中建立。
5.根据权利要求4所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：在步骤3）中，将所述模态中性文件导入Adams软件，建立整车多柔性体模型。
6.根据权利要求5所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：在步骤4）中，将多柔性体数字样车和虚拟路面同时导入Adams软件，在Adams软件中驱动多柔性体数字样车在各种虚拟路面上行驶。
7.根据权利要求6所述的基于数字样车和虚拟路谱的汽车结构疲劳寿命计算方法，其特征在于：利用Adams软件中的应力恢复模块在Adams软件中计算各部件的应力变化历程。
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