CN111241724A - 一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车工程技术领域，具体的说是一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法。该预测方法包括以下步骤：1、试验提取宽体矿用车车桥轴头上的加速度信号；2、建立整车刚柔耦合模型；3、将加速度信号进行虚拟迭代转换成车桥轴头位移信号；4、将车桥轴头位移信号输入整车刚柔耦合模型中，计算得到车架与其他结构各个连接点处的载荷随时间的变化曲线；5、对车架柔性体模型即有限元模型进行静态仿真分析；6、将车架材料的S‑N曲线、车架静力分析结果文件、各个连接点载荷随时间的变化曲线输入到软件nCode中计算。本发明能根据试验测量的车桥轴头加速度，通过仿真分析，准确寻找车架疲劳寿命低的危险位置，预测宽体矿用车车架疲劳寿命。

Description

一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明属于汽车工程技术领域，具体的说是一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法。

背景技术

随着现代汽车技术的发展，汽车除了作为代步工具还衍生出许多其他功用，如消防车、高空作业车、垃圾清扫车、宽体矿用车等。然而跟普通大众直接相关的仍是乘用车，因此乘用车的研发技术相较于其他商用车的研发技术发展得更为迅速，包括汽车结构的疲劳耐久性分析。疲劳破坏就是机械结构在承受远小于材料本身极限强度的交变载荷作用下发生的破坏现象。车架作为整个汽车的基体，承受着车内外的各种载荷，其可靠性性能直接或间接的影响其它相连部件的相关使用性能，因此，车架的疲劳分析十分重要。相对乘用车而言，宽体矿用车行驶工况差、承载质量大导致车架承受的交变载荷更大，更容易发生疲劳损伤，因此对其进行疲劳仿真分析是非常有必要的。

目前针对乘用车各个结构进行疲劳仿真分析的研究较多，较少研究宽体矿用车车架。针对宽体矿用车车架的疲劳寿命研究更多是根据经验法或者试验法，经验法准确度较低，而试验法耗时久且成本高，因此可以运用虚拟仿真分析的方法进行车架疲劳寿命预测。为了模拟实际宽体矿用车的行驶过程，需要对仿真模型输入外部激励，然而工程中，位移激励难以试验测量，同时宽体矿用车行驶工况复杂，路谱难以测量，且实际轮胎特性难以模拟，若单独针对车架进行分析需要试验测量的激励点过多，由上可知运用虚拟仿真分析的方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明提供了一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，能根据试验测量的车桥轴头加速度，通过仿真分析，准确寻找车架疲劳寿命低的危险位置，预测宽体矿用车车架疲劳寿命，解决了现有矿用车车架疲劳寿命预测方法存在的上述问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，该预测方法包括以下步骤：

步骤一、提取宽体矿用车车桥轴头上的加速度信号；

步骤二、建立整车刚柔耦合模型；

步骤三、运用虚拟迭代软件Femfat.lab对步骤一提取的加速度信号进行处理转换成车桥轴头位移信号；

步骤四、将步骤三迭代得到的车桥轴头位移信号输入整车刚柔耦合模型中，计算得到柔性车架与其他子系统各个连接点处的载荷随时间的变化曲线；

步骤五、运用软件Optistruct对步骤二的整车刚柔耦合模型中的车架柔性体模型即有限元模型进行静态仿真分析，导出op2文件；

步骤六、将通过查表得到的车架材料的S-N曲线、车架静力分析结果文件即上述op2文件、各个连接点载荷随时间的变化曲线输入到软件nCode中计算，即可得到车架的寿命分布云图。

所述步骤一的具体方法如下：

将矿用车所有车桥的轴头上贴上加速度传感器，当矿用车在实际场地中行驶时，加速度传感器将车桥轴头加速度输入数据采集系统，将采集到的数据进行选择排序、单位换算、剔除野点、消除偏移、滤波、裁剪拼接。

所述步骤二的具体方法如下：

21)柔性车架建模；

运用软件Hypermesh的Optistruct模块中的求解器求解其自由模态并导出MNF文件，以便与刚体子系统模型连接；

22)刚体子系统建模；

运用软件ADAMS/Car建立前悬架子系统、后悬架子系统、车身子系统、动力总成子系统、转向机构子系统的模型；

23)激振试验台建模；

运用软件ADAMS/Car建立激振试验台模型。

所述步骤三的具体方法如下：

31)运用Femfat.lab生成白噪声信号，Femfat.lab调用ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型以及ADAMS求解器，将白噪声信号作为位移驱动信号输入到ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型中，它会自动覆盖原激振试验台上的位移驱动；

32)Femfat.lab将上述模型提交给ADAMS求解器求解，得到车桥轴头上的加速度；

33)根据车桥轴头上的白噪声位移信号与ADAMS计算得到的轴头加速度信号计算出此系统的传递函数，此传递函数是轴头加速度与轴头位移的关系函数；

34)将试验测量的轴头加速度作为目标信号输入到步骤33)中的传递函数中可计算出轴头的位移，此时不能确定此迭代得到的轴头位移是准确的，需要后续步骤确认；

35)将迭代得到的轴头位移输入到整车刚柔耦合模型中计算，得到迭代后的轴头加速度；

36)对比迭代后的加速度与试验测量的轴头加速度，若均方根值误差小于5％，则判断此时的轴头位移足够准确，输出此时的轴头位移，否则继续进行下一步迭代。

本发明的有益效果为：

本发明运用多体动力学分析和虚拟迭代方法可以根据宽体矿用车车桥轴头加速度提取宽体矿用车车架在行驶过程中的真实载荷历程；使用有限元分析可以预测宽体矿用车车架的疲劳寿命，其结果比经验法更准确，比试验法效率更高，成本更低，且更改模型参数更加方便。本发明避免了试验测量路谱与轮胎特性，不需要过多传感器单独对车架进行测量，选择了更容易测量的车桥轴头加速度作为输入，更符合实际工程应用。除此之外，ADAMS/Car仅仅提供四柱激振试验台模型，本发明中并未运用ADAMS/Car自带的试验台模型，而是建立与宽体矿用车车桥轴头数目匹配的试验台模型，实用性更强。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为本发明系统的整车多刚体动力学模型；

图3为本发明系统中虚拟迭代模块结构框图；

图4为本发明中虚拟迭代模块生成的整车左前轴头前三次迭代的加速度曲线图；

图5为本发明中车架疲劳寿命模块提取得到的前后悬架与车架连接点处的载荷曲线图。

图中：1、车身子系统；2、动力总成子系统；3、转向机构子系统；4、激振试验台；5、前悬架子系统；6、车架刚性体；7、后悬架子系统。

具体实施方式

实施例

参阅图1，一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法所采用的系统包括试验模块、整车刚柔耦合模型建模模块、虚拟迭代模块、车架疲劳寿命预测模块。

试验模块主要用来提取宽体矿用车车桥轴头上的加速度信号。

参阅图2为整车多刚体动力学模型，后续需将车架刚性体替换成车架柔性体。整车刚柔耦合模型建模模块用来建立整车刚柔耦合模型，以便后续虚拟迭代以及提取车架连接点载荷。主要根据多体动力学和模态综合法等理论，建立车架柔性体、刚体子系统与激振试验台三部分模型。

参阅图3，虚拟迭代模块用来将试验测量得到的车桥轴头上的加速度信号转换成车桥轴头上的位移信号。由于车桥轴头上的位移难以测量，因此测量其加速度，运用虚拟迭代软件Femfat.lab对其进行处理转换成轴头位移信号。

车架疲劳寿命预测模块主要进行车架的疲劳寿命分析。

一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，该预测方法包括以下步骤：

步骤一、提取宽体矿用车车桥轴头上的加速度信号；

将矿用车所有车桥的轴头上贴上加速度传感器，当矿用车在实际场地中行驶时，加速度传感器将车桥轴头加速度输入数据采集系统，将采集到的数据进行选择排序、单位换算、剔除野点、消除偏移、滤波、裁剪拼接，具体说明如下：

选择排序：由于提取的加速度信号通道序号混乱，不利于之后信号的分析与调用，因此需要运用软件nCode对其重新排序；

单位换算：由于道路采集得到的加速度信号单位为g，而ADAMS中加速度的信号为mm/s²，为保证仿真结果的正确性，需将加速度信号的单位统一为mm/s²；

剔除野点：野点是因为在采集的过程中，由于外界的干扰产生的突然增大的不符合实际的采集信号，将严重影响后面的疲劳分析，因此使用nCode软件的数据处理工具Glyphworks将其进行剔除；

消除偏移：试验采集到的数据出现了一个随时间轴的缓慢的移动，离零点坐标发生偏移，产生此的原因可能是由于采集时候传感器受温度影响造成的，运用nCode找到此偏移并使其重新分布在零点附近；

滤波：为保证后续试验台架进行验证，对信号进行0.5Hz-40Hz的带通滤波，此操作通过nCode中的ButterworthFilter模块完成；

裁剪拼接：由于试验时均是一个个单一工况测量的加速度，为了更符合宽体矿用车实际行驶工况，需运用nCode裁剪单一工况中的加速度信号，并拼接在一起，处理成复合工况信号；

步骤二、建立整车刚柔耦合模型；

21)柔性车架建模；

根据宽体矿用车车架的有限元模型，运用软件Hypermesh的Optistruct模块中的求解器求解其自由模态并导出MNF文件，以便替换车架刚性体6；

22)刚体子系统建模；

根据宽体矿用车的实际结构，运用软件ADAMS/Car建立前悬架子系统5、后悬架子系统7、车身子系统1、动力总成子系统2、转向机构子系统3的模型；

23)激振试验台建模；

运用软件ADAMS/Car建立激振试验台4模型。其作用是在各个车桥轴头上施加位移驱动，模拟整车在实际路面行驶时的振动。本实施例中，由于宽体矿用车有三根车轴，基于此建立了六柱激振试验台，可沿垂向振动。将上述三个模型装配即可得到整车刚柔耦合模型。

步骤三、运用虚拟迭代软件Femfat.lab对步骤一提取的加速度信号进行处理转换成车桥轴头位移信号；

31)运用Femfat.lab生成白噪声信号，Femfat.lab调用ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型以及ADAMS求解器，将白噪声信号作为位移驱动信号输入到ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型中，它会自动覆盖原激振试验台上的位移驱动；

32)Femfat.lab将上述模型提交给ADAMS求解器求解，得到车桥轴头上的加速度；

33)根据车桥轴头上的白噪声位移信号与ADAMS计算得到的轴头加速度信号计算出此系统的传递函数，此传递函数是轴头加速度与轴头位移的关系函数，具体公式如下：

f＝y_noise/u_noise

式中，f为传递函数，u_noise为输入的白噪声位移信号，y_noise为输出的轴头加速度信号；

34)将试验测量的轴头加速度作为目标信号输入到步骤33)中的传递函数中可计算出轴头的位移，此时不能确定此迭代得到的轴头位移是准确的，需要后续步骤确认；

35)将迭代得到的轴头位移输入到整车刚柔耦合模型中的激振试验台计算，得到迭代后的轴头加速度；

36)对比迭代后的加速度与试验测量的轴头加速度，若均方根值误差小于5％，则判断此时的轴头位移足够准确，输出此时的轴头位移，否则继续进行下一步迭代。

在每次迭代后，迭代得到的轴头加速度逐渐逼近试验测量的轴头加速度，如图4所示。本实施例中，经过9次迭代，迭代后的加速度与试验测量的轴头加速度均方根值误差小于5％，输出此时的轴头位移信号。

步骤四、将步骤三迭代得到的车桥轴头位移信号输入整车刚柔耦合模型中，计算得到柔性车架与其他子系统各个连接点处的载荷随时间的变化曲线；其中，前、后悬架与车架连接点处的垂向载荷历程如图5所示。

步骤五、运用软件Optistruct对步骤二的整车刚柔耦合模型中的车架柔性体模型即有限元模型进行静态仿真分析，导出op2文件；

步骤六、将通过查表得到的车架材料的S-N曲线、车架静力分析结果文件即上述op2文件、各个连接点载荷随时间的变化曲线输入到软件nCode中计算，即可得到车架的寿命分布云图。

本实施例中，运用nCode进行疲劳仿真分析后，计算得到疲劳寿命为3.9年，与实际宽体矿用车车架的使用寿命十分接近。

Claims (4)

1.一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，其特征在于，该预测方法包括以下步骤：

步骤一、提取宽体矿用车车桥轴头上的加速度信号；

步骤二、建立整车刚柔耦合模型；

步骤三、运用虚拟迭代软件Femfat.lab对步骤一提取的加速度信号进行处理转换成车桥轴头位移信号；

步骤四、将步骤三迭代得到的车桥轴头位移信号输入整车刚柔耦合模型中，计算得到柔性车架与其他子系统各个连接点处的载荷随时间的变化曲线；

步骤五、运用软件Optistruct对步骤二的整车刚柔耦合模型中的车架柔性体模型即有限元模型进行静态仿真分析，导出op2文件；

步骤六、将通过查表得到的车架材料的S-N曲线、车架静力分析结果文件即上述op2文件、各个连接点载荷随时间的变化曲线输入到软件nCode中计算，即可得到车架的寿命分布云图。

2.根据权利要求1所述的一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：

将矿用车所有车桥的轴头上贴上加速度传感器，当矿用车在实际场地中行驶时，加速度传感器将车桥轴头加速度输入数据采集系统，将采集到的数据进行选择排序、单位换算、剔除野点、消除偏移、滤波、裁剪拼接。

3.根据权利要求1所述的一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：

21)柔性车架建模；

运用软件Hypermesh的Optistruct模块中的求解器求解其自由模态并导出MNF文件，以便与刚体子系统模型连接；

22)刚体子系统建模；

运用软件ADAMS/Car建立前悬架子系统、后悬架子系统、车身子系统、动力总成子系统、转向机构子系统的模型；

23)激振试验台建模；

运用软件ADAMS/Car建立激振试验台模型；

将上述三个模型装配即可得到整车刚柔耦合模型。

4.根据权利要求1所述的一种宽体矿用车车架疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：

31)运用Femfat.lab生成白噪声信号，Femfat.lab调用ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型以及ADAMS求解器，将白噪声信号作为位移驱动信号输入到ADAMS/Car建立的整车刚柔耦合模型中，它会自动覆盖原激振试验台上的位移驱动；

32)Femfat.lab将上述模型提交给ADAMS求解器求解，得到车桥轴头上的加速度；

33)根据车桥轴头上的白噪声位移信号与ADAMS计算得到的轴头加速度信号计算出此系统的传递函数，此传递函数是轴头加速度与轴头位移的关系函数；

34)将试验测量的轴头加速度作为目标信号输入到步骤33)中的传递函数中可计算出轴头的位移，此时不能确定此迭代得到的轴头位移是准确的，需要后续步骤确认；

35)将迭代得到的轴头位移输入到整车刚柔耦合模型中计算，得到迭代后的轴头加速度；

36)对比迭代后的加速度与试验测量的轴头加速度，若均方根值误差小于5％，则判断此时的轴头位移足够准确，输出此时的轴头位移，否则继续进行下一步迭代。

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