基于

基于 Virtual.Lab Motion的非承载式车身 道路载荷谱预测方法研究

李世浩，陈有松

（上汽商用车技术中心，上海，200438）

【摘要】：道路谱的动态载荷是分析底盘件及车身连接点疲劳的关键输入。为了准确获取部件的动态载荷，首先需 要采集试验场路谱信号，然后利用Virtual.Lab Motion创建带有整体式车架的整车刚柔耦合多体模型，通过Motion TWR虚拟迭代的方式得到轴头位移驱动信号，进而分解获得悬架接附点动态载荷谱，并在数据处理软件Tecware中对比 载荷预测的结果，从而为车架的疲劳分析提供准确的动态载荷输入。本文对整体式车架的动态载荷进行了预测分析和研 究，车架疲劳仿真结果再现了耐久路试的危险区域，证明了该载荷谱分析方法的准确性。

【关键词】：载荷谱 多体模型 虚拟迭代 疲劳分析

Research on the method of load spectrum prediction with unitized vehicle body based on Virtual.Lab Motion

Li Shihao, Chen Yousong

(SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai ,200438)

Abstract:The dynamic load spectrum is the key input to analyze the fatigue of chassis and the joint of vehicle body.

In order to obtain the dynamic load of the component accurately, it is necessary to collect the road spectrum signal of the test vehicle first, and then create the rigid-flexible coupling multi-body whole vehicle model with integral frame by Virtual.Lab Motion. Through virtual iterative way to get spindle displacement signal by Motion TWR, and then get the dynamic load spectrum of suspension joints. The dynamic load spectrum are compared with the test data by Tecware, so as to provide dynamic load spectrum input for vehicle frame fatigue analysis. In this paper, the dynamic load of the integral frame is predicted, analyzed and studied. The result of fatigue simulation of the frame reproduced the dangerous area of the durability road test, which proved the accuracy of the load spectrum analysis method.

Keywords: load spectrum, multi-body model, virtual iterative, fatigue analysis

道路载荷分解是从整车系统载荷到零部件载荷的主要途径，这些载荷包括底盘系统部件的 约束载荷和车身连接处的载荷，载荷数据提供给CAE分析部门使得在早期设计阶段进行合理的 疲劳分析成为可能。载荷可分为静态载荷和动态载荷，

这就需要有与实际道路工况相匹配的动态载荷输入，

既可以用来检验已有设计是否合格，又 为结构的修改和优化设计提供客观依据。动态载荷谱分解一般采用驱动整车多体动力学模型来 实现，而驱动信号有多种，如果采用直接测量路面不平度的数字道路方法费用昂贵；另一方面，

基于实车道路采集的轮心六分力又不适合直接用于疲劳载荷分析。

Motion平台可以实现多体动力学整车建模，道路载荷谱迭代，动态载荷谱分解等整个流程，

如图1所示。

本文中的车架连接了非承载式车身和悬架结构件，其本身重量及承载均较大，设计时对其

疲劳耐久性有较高的要求。文中建模时对整体式车架结构进行了柔性化处理，在施加动态载荷

时考虑了柔性化变形以更加符合实车状态，最终分解的载荷施加到车架有限元模型上分析疲劳

风险区域并与实车道路试验作对比。

路谱采集及数据处理

载荷虚拟迭代

多体模型建立 载荷分解计算

图1道路载荷谱分解流程

1 道路载荷谱采集

根据道路耐久规范，采集的道路谱包括试验空载和满载两种状态下，包括六分力在内的力

、加速度、位移等多种工况的时域曲线数据，具体如下表所示。其中选择轮心六分力中的垂向力 作为虚拟迭代目标信号，其他作为监控信号。在获取原始数据后,

按照不同路面的特征对其进行有效数据段的截断，还要进行滤波、重采样，去除毛刺、纠正漂移

、检查频谱相位等方面的处理。

表1 数据采集传感器

测点位置 测量信号 传感器 用途

车轮 轮心六分力 六分力仪 目标信号 轴头 加速度 加速度传感器 监控信号 螺旋弹簧 弹簧位移 应变片 监控信号 减振器活塞杆 轴向力 应变片 监控信号 减振器上塔顶 加速度 加速度传感器 监控信号 减振器下安装座 轴向力 应变片 监控信号

2 整车建模与对标

整车包括了以下几个子系统：前双横臂式独立悬架；后五连杆式非独立悬架；前、后稳定杆子机 构；齿轮齿条式转向子机构；车身、车架子机构；前、后轮胎和车轮子机构；试验台子机构。

C试验的数据，得到的结果用于仿真模型的对标。

图3 建模及载荷分解所需输入 2.1 整车建模

Driving Dynamics是基于

Motion主程序，提供悬架、转向系、动力总成和整车建模分析模版的封装起来的多体动力学仿 真软件。利用LMS Driving

Dynamics软件选择前后悬架及各子系统的类型，然后通过修改每个系统中所关联的表格及相 应设置，从而可以方便地调用Virtual.Lab

Motion模型数据库，建立起完整的整车多体模型。稳定杆采用了Beam梁单元的建模方式，过程

中只需指定稳定杆的类型，杆径及稳定杆衬套位置，并选取能代表稳定杆结构特征的若干中心

点坐标。

图4 整车建模计算过程

图5车架替换为柔性体装配整车

2.2 车架柔性化建模

采用了整体式车架的结构，车架通过悬置衬套与前、后悬架及车身连接，这些连接点都将 成为刚柔耦合的接附点，也是最终载荷分解的输出点。

处理。柔性体的建模一般采用有限元方法，引入子结构模态综合法降低求解规模。

其建模流程如下所示，将车架刚体替换为含有模态结果文件的有限元模型，检查无误后即可完 成刚柔耦合整体动力学模型的建模。

图6柔性体建模流程

图7 整体式车架柔性体模型及其模态频率 表2 整体式车架柔性化属性

质量/kg 质心/mm 主惯量/kgm^2 274.146 (2012.5,0.265,644.796) (58.947, 503.132,

555.702)

使垂向刚度曲线、侧向刚度对应较好，纵向刚度有一定偏差可以接受。对标的各向刚度和拐 点位置的误差在3.7%以内。后悬架的对标与前悬架类似，对标结果符合需求。

图8 前悬架垂向、侧向、纵向刚度

完成了前后悬架的性能的对标，还需要对整车参数进行对标，这其中就包括了静平衡 状态的轮荷。输入整车的重心、惯量参数并添加约束，各个子机构通过装配成为整车模型。

调整的过程是以模型中车身的重量和质心位置为变量与实验车辆轮荷进行比较，静平衡状 态的载荷对标结果误差控制在2%内以满足建模需求。如图9可以看到在静平衡仿真时载荷 曲线会有起伏，TWR

软件为了消除仿真模型起始阶段的不稳定影响，需要进行静平衡和重启动设置。

图9 模型静平衡状态轮荷输出曲线

3 载荷迭代与分解

基于道路试验测量的六分力，不适合直接加载到多体动力学模型：自由状态模型会出现漂 移和旋转的问题，约束车身会出现过约束造成载荷偏大。运用虚拟迭代的方法，根据试车场 路谱采集试验的载荷和响应，反算迭代出轴头的垂向位移激励，可以直接施加在不约束车 身的多体动力学模型上。该方法避免使用复杂的轮胎、数字路面和驾驶员模型；基于新旧相 似车型的同一道路上的路面不平度历程一致性，能够准确预测新车型的疲劳载荷谱。利用 Motion TWR

进行虚拟迭代仿真，将不同载荷状态下各个路面通过迭代得到的轴头垂向位移作为系统驱 动信号，将轮心垂向力作为试验目标信号，车身加速度及零部件的载荷等其他信号作为监 控。

3.1 虚拟迭代原理

虚拟迭代核心是时域波形复现技术（TWR, Time Waveform

Replication），本质是一个非线性系统迭代求逆问题，可以通过已有的道路试验目标数据，

反求多体模型的输入驱动位移信号即道路不平度激励信息。一般情况下，迭代过程包括系 统传递函数识别和载荷迭代两个阶段。由于传递函数是线性的，识别高度非线性的多体模 型系统的传递函数就需要通过迭代来实现，通过计算输出值反复逐渐逼近实测值，最终得

系统识别得到一个以u(t)为输入，以试验典型路面响应信号y(t)为输出的数学模型，这 是系统的频响函数矩阵形式的线性模型。

传递函数为：F(t) y(t)/u(t) (1) 在系统辨识时采用多通道同时激励，比采用单输入激励更接近实际情况，因为考虑了 不同输入通道和输出之间的相互耦合非线性。辨识的激励信号通常是白粉红噪声，输入系 统得到响应信号，可计算系统频率响应函数（FRF，Frequency Response Function）矩阵。

) (2) ( ) (

) ( ) ( ) (

) ) (

( _*

*

f U f U

f Y f U f G

f f G

H

xx

xy 



式中，U( f)、Y( f)分别是随机信号u(t), y(t)的傅里叶变换，U^*(f) Y^*(f)分别是

、 共轭， 、 分别是 , 的自功率谱和互功率谱。

) ( f

U Y( f) G_xx( f) G_xy( f) u(t) y(t)

先由实测的路谱信号和辨识的传递函数的逆矩阵，求得初始驱动信号如下式：

)) (3) (

*

* ) (

* ( )

(t F ¹ d H f ¹ g T f

u  ^{ }

式中，F 是傅里叶变换，d 、g分别是驱动系数和目标系数，取值在0~1 之间，T( f )是频域目标信号，u(t)是初始位移驱动信号。

将初始驱动加载给模型得到系统的响应，可以由e(f)F(g*T(t)y(t)) (4)

计算频域的误差。式中，T(t)是时域目标信号，y(t)是系统响应。

如果误差不满足条件，则根据下式进行迭代，根据误差判断直至

满足条件迭代结束，最终 可以得到迭代后的控制驱动信号。

)) (5) (

*

* ) (

* ( ) ( )

(t ₁ u t F ¹ d H f ¹ k e f u _i  _i  ^{ }

式中，i 是迭代的次数；与 d，g类型，k

是误差系数，适当的选择这几个系数可以加快迭代的收敛速度，增加算法的鲁棒性。

3.2典型路面虚拟迭代联合仿真

按照耐久路试规范进行实车道路谱信号采集，为了提高效率，计算各个路谱轮心垂向 力的疲劳伪损伤和功率谱密度，仅比较路谱能量分布在中高低频三个范围选取有代表性的 若干路面。

以下列举了仿真模型为满载状态下中等比利时路的载荷迭代，中等比利时路为中频路 面，以垂向疲劳载荷为主，选取的有效路谱时长为45s。从图10中可以看到迭代14次均方根 误差在3.2%-

6.8%之间，

小于10%的目标误差，

累积损伤曲线重合度越高迭代效果越好；相关性曲线斜率越趋近1，线条越细直，说明迭代 效果越好。

图10 迭代目标的均方根误差

图11 迭代目标累积损伤及相关度曲线对比

图12-

14是迭代目标和监控目标的曲线的对比，其吻合度也比较高。模型中输入的惯量、衬套数据 不够精确，动力总成部分没有建模也会对结果造成影响。迭代目标的频域曲线中25Hz以后 引起的误差主要是由于仿真中没有建立轮胎、传动系的引起。

图12左前迭代信号时域、频域曲线对比

图13左前减振器塔顶加速度信号对比

图14 左前减振器下安装座力信号对比 3.3载荷分解

中等比利时路载荷迭代结束后，将得到的轴头垂向位移作为轮心的驱动信号，同时加 载由六分力仪采集的其他方向的力和力矩，在模型中设置各个连接点的输出载荷类型和通 道，就可以在无约束车身的状态下输出悬架件连接点及车身车架接附点的动态载荷，从而 得到每种载荷状态下70个测量点，共420个通道的动态载荷。其他以垂向载荷为主的耐久路 试工况，如越野路、比利时路、方坑、减速坎等工况，可以重复以上迭代轮心垂力并加载垂 向位移激励的方式分解道路谱载荷，同时对输出的动态载荷谱进行对标以确认是否满足要 求，以至完成所有的载荷谱分解。图15是在中等比利时路工况下分解到的车身接附点的第 二悬置左侧6方向载荷谱。

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0

Time in s - Body_Mount.txt.rsp -4353.5

347.2

-4250.0 -4000.0 -3750.0 -3500.0 -3250.0 -3000.0 -2750.0 -2500.0 -2250.0 -2000.0 -1750.0 -1500.0 -1250.0 -1000.0 -750.0 -500.0 -250.0 0.0

N

-214.5 248.3

-200.0 -175.0 -150.0 -125.0 -100.0 -75.0 -50.0 -25.0 0.0 25.0 50.0 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 225.0

N

-123.5 130.4

-100.0 -80.0 -60.0 -40.0 -20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0

N

Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Fz Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Fy Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Fx

0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0 42.5 45.0

Time in s - Body_Mount.txt.rsp -3895.6

3370.1

-3500.0 -3000.0 -2500.0 -2000.0 -1500.0 -1000.0 -500.0 0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0

Nxmm

-13696.2 9690.5

-12000.0 -10000.0 -8000.0 -6000.0 -4000.0 -2000.0 0.0 2000.0 4000.0 6000.0 8000.0

Nxmm

-24431.7 25515.4

-20000.0 -15000.0 -10000.0 -5000.0 0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0

Nxmm

Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Tz Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Ty Body_Mount.txt.rsp - Frame_Body.1_Left_Tx

图15车身接附点的悬置处载荷

4疲劳耐久分析

使用车架的有限元模型，采用惯性释放静力学的分析方法输入分解得到的载荷谱曲线

，原则上每个接附点输入6个方向的力和力矩，但为了降低计算量通常根据车架结构筛选去 除部分对疲劳贡献极小的通道，利用疲劳累计损伤原理叠加10种典型路面的损伤，最后得 到整体式车架在实际道路谱载荷下的耐久损伤。通过计算分析发现在车架某位置的横梁与 纵梁的焊缝区域有开裂风险，图16为车架的疲劳损伤云图，与实车道路耐久试验的危险区

图16 仿真与实车耐久开裂区域对比

5 结论

本文建立非承载式车身结构的刚柔耦合整车动力学模型，研究通过虚拟迭代方法分解 整体式车架各个接附点的载荷谱，最后分析得到了车架在连接点载荷谱作用下的危险区域 与路试失效位置具有一致性，由此可以预测新开发车型设计的风险位置并在前期提出改进 方案，同时也为相似车型的开发提供可靠的载荷依据。通过有限元计算疲劳与试验场耐久 路试的结果进行关联，进行合理的耐久性设计试验以解决路试过程的问题，缩短产品开发 时间，为精益化设计提供方法。

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参考文献

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[5] 陈有松，邱荣英，罗淼，等.基于道路载荷谱的车身疲劳寿命改进研究[J]. 设计研究，2012.

车架耐久

路试危险区域