技术领域
[0001] 本
发明涉及
汽车整车及零部件的结构设计领域，具体地指一种前下摆臂台架耐久试验载荷获取方法。
背景技术
[0002] 汽车的耐久性能作为最重要的性能之一，直接影响驾驶汽车的行驶安全。主机厂在汽车研发阶段，会进行多轮次的零部件台架耐久试验及整车用户使用工况耐久试验以验证汽车耐久性能。在台架试验验证阶段，充分验证汽车零部件的耐久性能，可以减少汽车整车用户使用工况耐久试验的验证轮次，降低研发成本及缩短研发周期。而在汽车零部件台架耐久试验方法设计中，试验载荷设计是最核心的环节。
[0003] 目前，针对该零部件台架耐久载荷获取方法主要采用经验
算法，即基于汽车的整车
质量、
轴距、
轮距等参数，结合各主机厂制定的一些耐久经验工况，从而制定汽车前下摆臂的台架耐久试验载荷。该方法由于台架耐久试验载荷不是直接来源于用户在驾驶汽车时的使用工况，因此有时候试验结果会与零部件实际失效模式及考核强度有较大的差别。因此迫切的需要研究制订一种算法用于获取台架耐久试验载荷，从而将用户使用工况与台架耐久试验建立关联性。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种前下摆臂台架耐久试验载荷获取方法。
[0005] 本发明的技术方案为：一种前下摆臂台架耐久试验载荷获取方法，其特征在于：获取试验车辆在使用工况下的整车载荷
信号；基于整车载荷信号结合采用多体分析
软件建立的整车多
体模型，获取用户使用工况下的前下摆臂连接点动态载荷；采用有限元软件计算前下摆臂各连接点上六个方向1N单位
力的
应力响应，基于前下摆臂连接点动态载荷，并结合前下摆臂的材料疲劳寿命曲线，获取用户使用工况下前下摆臂的虚拟耐久寿命及分布；在前下摆臂上耐久寿命最低的若干
位置上布置虚拟应变片，获取虚拟应变片位置的动态随机虚拟应变片应力信号，将虚拟应变片应力信号转化为正弦曲线虚拟应变片主应力信号；
建立台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片应力信号的传递矩阵；通过对正弦曲线虚拟应变片主应力信号与传递矩阵进行分析计算，得到与用户实施工况关联的乘用车下摆臂台架试验载荷。
[0006] 进一步的所述整车载荷信号包括整车耐久道路轮心六分力载荷信号、整车耐久道路轮心
加速度载荷信号、整车耐久道路
弹簧位移信号和整车耐久道路
车身减震器上点加速度载荷信号。
[0007] 进一步的所述获取试验车辆在使用工况下的整车载荷信号的方法为：在汽车四个
轮毂上布置轮心六分力
传感器，获取整车耐久道路轮心六分力载荷信号；在汽车四个
转向节上布置三向加速度传感器，获取整车耐久道路轮心加速度载荷信号；在汽车四个弹簧上布置全桥式应变片，将主应力信号在拉压力试验机上标定为位移信号，获取整车耐久道路弹簧位移信号；在汽车车身四个减震器塔座上布置三向加速度传感器，获取整车耐久道路车身减震器上点加速度载荷信号。
[0008] 进一步的所述获取用户使用工况下的前下摆臂连接点动态载荷的方法为：采用多体分析软件，建立包括前悬架模型、后悬架模型、转向模型、
制动模型、轮胎模型、车身模型、制动模型、
动力总成模型的整车多体模型，将整车载荷信号与建立的汽车多体模型结合，采用多刚体载荷求解方法将整车载荷信号分解到前下摆臂连接点，获取用户使用工况下的前下摆臂连接点动态载荷。
[0009] 进一步的所述获取使用工况下前下摆臂的虚拟耐久寿命及分布的方法为：采用有限元求解方法，基于惯性释放工况分别计算前下摆臂各连接点上6个方向1N单位力的应力响应；基于前下摆臂连接点动态载荷信号和1N单位力的应力响应，结合前下摆臂的材料疲劳寿命曲线，采用多轴疲劳分析方法，获取用户驾驶汽车工况下的前下摆臂虚拟耐久寿命及分布。
[0010] 进一步的所述前下摆臂的材料疲劳寿命曲线计算公式为：
[0011] lgS＝a+b×lgN
[0012] 其中：S——为材料的应力值；
[0013] N——为材料应对的疲劳寿命循环次数；
[0014] a、b——为材料疲劳寿命曲线常数参数。
[0015] 进一步的所述将虚拟应变片应力信号转化为正弦曲线虚拟应变片主应力信号的方法为：基于获取的汽车前下摆臂虚拟耐久寿命及分布，选择耐久寿命最低的三个位置布置虚拟应变片；根据前下摆臂耐久寿命最低的三个位置的局部疲劳寿命：Life1、Life2、Life3，设定前下摆臂疲劳寿命要求满足：Life0，设定前下摆臂台架耐久试验目标循环次数N1，从而将此三处虚拟应变片位置的动态随机虚拟应变片应力信号转化为正弦曲线虚拟应变片主应力信号，信号
频率设置为1HZ，信号
相位角为0°，信号幅值为：σsin1、σsin2、σsin3，计算公式如下：
[0016] σsin1＝10[a1+b1×lg(life1×N1/life0)]
[0017] σsin2＝10[a2+b2×lg(life2×N1/life0)]
[0018] σsin3＝10[a3+b3×lg(life3×N1/life0)]
[0019] 其中：σsin1——第一个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0020] σsin2——第二个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0021] σsin3——第三个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0022] a1——第一个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0023] b1——第一个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0024] Life1——前下摆臂用户工况第一个位置的局部疲劳寿命；
[0025] a2——第二个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0026] b2——第二个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0027] Life2——前下摆臂用户工况第二个位置的局部疲劳寿命；
[0028] a3——第三个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0029] b3——第三个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0030] Life3——前下摆臂用户工况第三个位置的局部疲劳寿命；
[0031] Life0——前下摆臂用户工况疲劳寿命目标值；
[0032] N1——前下摆臂台架耐久试验目标循环次数。
[0033] 进一步的所述建立台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片应力信号的传递矩阵方法为：建立前下摆臂的有限元模型，按照前下摆臂台架耐久工况进行约束及加载，共计两个加载点，载荷大小为：F1和F2，在前下摆臂上选取根据汽车前下摆臂虚拟耐久寿命及分布获得的耐久寿命最低的三个位置相同的位置布置虚拟应变片，虚拟应变片的主应力信号为：σ1、σ2、σ3，台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片信号的传递矩阵为A，其计算公式如下：
[0034]
[0035] 其中：σ1——第一个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0036] σ2——第二个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0037] σ3——第三个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0038] F1——前下摆臂台架试验第一个加载点输入载荷；
[0039] F2——前下摆臂台架试验第二个加载点输入载荷；
[0040] A——台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片信号的传递矩阵；
[0041] 传递矩阵A为三行两列矩阵。
[0042] 进一步的按照下列公式计算与用户使用工况关联的乘用车下摆臂台架正弦曲线试验载荷信号，信号频率为1HZ，信号相位角为0°，信号幅值为：Fsin1、Fsin2，计算公式如下：
[0043]
[0044] 其中：Fsin1——与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验第一个加载点载荷信号幅值；
[0045] Fsin2——与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验第二个加载点载荷信号幅值；
[0046] σsin1——第一个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0047] σsin2——第二个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0048] σsin3——第三个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0049] A——台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片信号的传递矩阵。
[0050] 得到的与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验正弦曲线载荷信号表达式：F1＝Fsin1sin(2πt)N、F2＝Fsin2sin(2πt)N。
[0051] 本发明的一种与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验载荷获取方法，采集用户驾驶汽车的整车载荷信号，采用多刚体分析方法求解前下摆臂连接点的动态载荷，并以此为输入结合前下摆臂的材料疲劳曲线，采用多轴疲劳寿命分析方法求解用户使用工况汽车前下摆臂的虚拟寿命及分布。以求得的用户使用工况汽车前下摆臂的虚拟寿命为目标，求得正弦化的用户使用工况前下摆臂耐久寿命薄弱部位的虚拟应变片信号，建立前下摆臂台架耐久工况下加载力与虚拟应变片信号的传递矩阵，最终基于传递矩阵及正弦化虚拟应变片信号求得与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验载荷。为快速、准确评价汽车前下摆臂零部件的耐久性能和制定科学的台架耐久试验规范提供依据。
[0052] 本发明有效解决了汽车前下摆臂台架耐久试验载荷编制没有依据，台架耐久试验与汽车用户工况严重脱离的问题，在台架上合理再现了汽车前下摆臂的加载工况。
附图说明
[0053] 图1：前下摆臂结构示意图；
[0054] 图2：传感器布置结构示意图(图中A位置为前下摆臂)；
[0055] 图3：前下摆臂加载点及方向坐标示意图；
[0056] 图4：前下摆臂的材料疲劳寿命曲线；
[0057] 图5：前下摆臂最薄弱的三个位置示意图；
[0058] 图6：虚拟应变片布置位置示意图；
[0059] 图7：载荷加载位置和加载方向示意图；
具体实施方式
[0060] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0061] 如图1所示，为本实施例的汽车前下摆臂结构示意图，与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验载荷获取方法按照以下步骤进行：
[0062] 步骤1：获取用户使用工况下的整车载荷信号
[0063] 本实施例的整车载荷信号包括整车耐久道路轮心六分力载荷信号、整车耐久道路轮心加速度载荷信号、整车耐久道路弹簧位移信号和整车耐久道路车身减震器上点加速度载荷信号，各自获取的方法为：如图2所示，在汽车四个轮毂上布置轮心六分力传感器(图2中的T1位置)，获取整车耐久道路轮心六分力载荷信号。在汽车四个转向节上布置三向加速度传感器(图2中的T2位置)，获取整车耐久道路轮心加速度载荷信号。在汽车四个弹簧上布置全桥式应变片(图2中的T3位置)，将主应力信号在拉压力试验机上标定为位移信号，获取整车耐久道路弹簧位移信号。在汽车车身四个减震器塔座上布置三向加速度传感器(图2中的T4位置)，获取整车耐久道路车身减震器上点加速度载荷信号。具体的汽车传感器布置结构如图2所示。
[0064] 步骤2：获取用户使用工况下的前下摆臂连接点动态载荷
[0065] 采用多体分析软件，建立整车多体模型，包括前悬架模型、后悬架模型、转向模型、制动模型、轮胎模型、车身模型、制动模型、动力总成模型。基于步骤1中获取的整车载荷信号，基于建立的整车多体模型，采用多刚体载荷求解方法将整车载荷信号分解到前下摆臂连接点，本实施例的连接点指前下摆臂与其他结构直接连接处。
[0066] 步骤3：获取用户使用工况的前下摆臂的虚拟耐久寿命及分布
[0067] 采用有限元求解方法，基于惯性释放工况分别计算前下摆臂各连接点上6个方向1N单位力(FX、FY、FZ、TX、TY、TZ)的应力响应，加载点及方向
坐标系如图3所示。
[0068] 基于步骤2获取的前下摆臂连接点动态载荷信号和1N单位力的应力响应，结合前下摆臂的材料疲劳寿命曲线，前下摆臂的材料疲劳寿命曲线如图4所示，其计算公式如下：
[0069] lg S＝a+b×lg N
[0070] 其中：S——为材料的应力值；
[0071] N——为材料应对的疲劳寿命循环次数；
[0072] a、b——为材料疲劳寿命曲线常数参数。
[0073] 采用多轴疲劳分析方法，获取用户驾驶汽车工况下的前下摆臂虚拟耐久寿命及分布如图5所示，其中Life1：市场用户行驶8万公里出现开裂、Life2：市场用户行驶15万公里出现开裂、Life3：市场用户行驶25万公里出现开裂；同时可以获取前下摆臂局部的疲劳寿命曲线。
[0074] 步骤4：正弦化用户使用工况前下摆臂的虚拟应变片信号
[0075] 基于步骤3中获取的汽车前下摆臂虚拟耐久寿命及分布，选择耐久寿命最低的三个位置(如图5所示的L1、L2和L3)布置虚拟应变片(本实施例的虚拟应变片指在计算机中进行仿真计算时设置的虚拟结构)，耐久寿命最低的三个位置的虚拟应变片布置如图6所示，虚拟应变片粘贴在图6中的l1、l2和l3。
[0076] 结合步骤3中前下摆臂耐久寿命最低的三个位置的局部疲劳寿命曲线和耐久寿命：Life1：市场用户行驶8万公里出现开裂、Life2：市场用户行驶15万公里出现开裂、Life3：市场用户行驶25万公里出现开裂，前下摆臂耐久性能目标要求满足Life0：市场用户行驶30万公里无开裂。设定前下摆臂台架耐久试验目标循环次数N1：40万次，从而将此三处虚拟应变片位置的动态随机虚拟应变片主应力信号转化为正弦曲线虚拟应变片主应力信号，设置信号频率设置为1HZ，信号相位角为0°，信号幅值为：σsin1、σsin2、σsin3，计算公式如下：
[0077] σsin1＝10[a1+b1×lg(life1×N1/life0)]
[0078] σsin2＝10[a2+b2×lg(life2×N1/life0)]
[0079] σsin3＝10[a3+b3×lg(life3×N1/life0)]
[0080] 其中：σsin1——第一个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0081] σsin2——第二个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0082] σsin3——第三个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0083] a1——第一个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0084] b1——第一个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0085] Life1——前下摆臂用户工况第一个位置的局部疲劳寿命；
[0086] a2——第二个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0087] b2——第二个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0088] Life2——前下摆臂用户工况第二个位置的局部疲劳寿命；
[0089] a3——第三个位置材料局部疲劳寿命曲线截距常数参数；
[0090] b3——第三个位置材料局部疲劳寿命曲线斜率常数参数：
[0091] Life3——前下摆臂用户工况第三个位置的局部疲劳寿命；
[0092] Life0——前下摆臂用户工况疲劳寿命目标值；
[0093] N1——前下摆臂台架耐久试验目标循环次数。
[0094] 步骤4计算得到的正弦化用户使用工况前下摆臂的虚拟应变片信号幅值：σsin1＝435Mpa、σsin2＝390Mpa、σsin3＝300Mpa；虚拟应变片信号表达式：σ1＝435sin(2πt)Mpa、σ2＝
390sin(2πt)Mpa、σ3＝300sin(2πt)Mpa。
[0095] 步骤5：建立台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片的传递矩阵[0096] 建立前下摆臂的有限元模型，按照前下摆臂台架耐久工况进行约束及加载，如图7所示，共计两个加载点(其中三角形标识位置为台架约束位置)，载荷大小为：F1、F2。布置位置与按照步骤4中计算的基于步骤3中获取的汽车前下摆臂虚拟耐久寿命及分布选择耐久寿命最低的三个位置相同，虚拟主应力信号为：σ1、σ2、σ3，传递矩阵为：A，计算公式如下所示：
[0097]
[0098] 其中：σ1——第一个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0099] σ2——第二个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0100] σ3——第三个位置的虚拟应变片主应力信号；
[0101] F1——前下摆臂台架试验第一个加载点输入载荷；
[0102] F2——前下摆臂台架试验第二个加载点输入载荷；
[0103] A——台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片信号的传递矩阵为；
[0104] A为三行两列矩阵，采用
有限元分析方法，令F1＝1000N、F2＝2000N，输出虚拟主应力σ1＝150Mpa、σ2＝125Mpa、σ3＝70Mpa；令F1＝2000N、F2＝1000N，输出虚拟主应力σ1＝200Mpa、σ2＝155Mpa、σ3＝85Mpa；得到传递矩阵A：
[0105]
[0106] 步骤6：制定台架耐久试验载荷
[0107] 基于步骤4获取的正弦化户使用工况下前下摆臂的虚拟主应力信号，结合步骤5得到的台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片的传递矩阵A，得到与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验正弦曲线载荷信号，信号幅值为：Fsin1、Fsin2，计算公式如下：
[0108]
[0109] 其中：Fsin1——与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验第一个加载点载荷信号幅值；
[0110] Fsin2——与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验第二个加载点载荷信号幅值；
[0111] σsin1——第一个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0112] σsin2——第二个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0113] σsin3——第三个位置的正弦曲线虚拟应变片主应力信号幅值；
[0114] A——台架耐久工况下前下摆臂加载点载荷与虚拟应变片信号的传递矩阵。
[0115] 由步骤6计算得到的与用户使用工况关联的乘用车前下摆臂台架试验正弦曲线载荷信号幅值：Fsin1＝6930N，Fsin2＝4520N，载荷信号表达式：F1＝6930sin(2πt)N、F2＝4530sin(2πt)N。
[0116] 本实施例选取某车型的某型号前下摆臂按照上述方法进行耐久试验载荷获取，获取的载荷大小：F1＝6930sin(2πt)N、F2＝4530sin(2πt)N。按照该载荷对前下摆臂进行耐久试验，该前下摆臂在设定的台架耐久试验中，试验循环106667次出现开裂，台架耐久试验要求目标循环次数40万次，前下摆臂在台架耐久试验中寿命表现为0.27(106667循环次数/400000循环次数)。该前下摆臂在用户使用工况行驶8万公里出现开裂且开裂部位与台架耐久试验中位置一致，用户耐久试验要求目标里程30万公里，前下摆臂在用户耐久试验中寿命表现为0.27(8万公里/30万公里)，与前下摆臂在台架耐久试验中寿命表现相同。结合该前下摆臂在台架耐久试验及市场用户耐久试验中的耐久寿命结果，论证了该方法的合理性。
[0117] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等同物界定。
