doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2023.03.001 收稿日期：2022-04-24轻型商用车的VPG技术及应用研究
林明世，李明一，刘志敏，窦德海，季红丽
（浙江远程商用车研发有限公司，杭州 325000）
摘 要：为了提高悬架系统零部件耐久分析精度，减少开发周期，降低开发成本，首先本文制定了适用于轻型商用车使用场景的悬架系统耐久分析工况和试验工况，然后建立整车
学仿真，并对悬架系统零部件进行载荷分解。最后采用分解后的载荷进行零部件的有限元分
析。该方法更真实的反映了整车在实际路面悬架受力情况，考虑因素更加全面，精度更高，
分析方法更加有效。
关键词：VPG；轻型商用车；悬架；虚拟路面
中图分类号：U463.34 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2023）03-0002-08
The VPG Technology and Application Research of Light
Commercial Vans
LIN Ming-shi, LI Ming-yi, LIU Zhi-min, DOU De-hai, JI Hong-li
( Zhejiang Farizon Commercial Vehicle R&D Co., Ltd, Hangzhou 325000, China)
Abstract:In order to the durability analysis accuracy of suspension system parts is improved, firstly, the development time is reduced, and costs is reduced, this paper the
endurance analysis conditions and test conditions of the suspension system suitable for the use
scenarios of light commercial vehicles are established, secondly, the vehicle multi-lift dynamic
model is established, and the virtual proving ground (DVP) technology is applied, the vehicle
dynamics of the virtual proving ground in the time domain is simulated, and the component
load is decomposed of the suspension system parts. Finally, the decomposed load is used for
the finite element analysis(FEA) of the component. This method more realistically reflects the
force of the suspension of the whole vehicle on the actual road, and the considerations are more
comprehensive, the accuracy is higher, and the analysis method is more effective.
Key Words: VPG(Virtual Proving Ground); Light Commercial Vehicle; Suspension;
Characteristic Road
1 前言
破坏是由疲劳破坏所造成的，随着机械产品运转
速度的提高，疲劳破坏更加普遍[1]。悬架系统承受
来自路面的各种交变载荷，其疲劳强度性能对保
证汽车产品的安全性和可靠性至关重要[1-2]。悬架
系统耐久性能开发也是商用车底盘开发的关键，
不仅影响车辆的使用寿命，同时还会波及汽车品
牌的口碑。商用车的开发周期往往比乘用车的开
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发周期短，那么轻型商用车不仅要具备的较好的承载性能，同时需要满足商用车乘用化的发展趋势，这样就需要制定一套适用于轻型商用车的工况场景定义，还需采用先进的虚拟仿真技术缩短开发周期，提高悬架耐久开发精度。
以往对于悬架系统耐久开发采用典型工况的加载系数方式对轮心六分立进行加载，并进行悬架系统零部件的载荷分解；另外一种载荷分解方式是道路谱采集，通过对样车的轮心六分力时域谱采集加载到悬架动力学模型中进行悬架系统零部件的载荷分解。第一种方法分析精度有限；第二种方法需样车生产后进行或采用相同平台相近车型进行路谱采集，时间周期较长，成本较高。
为此，国外各大汽车公司开展了汽车试车场耐久性试验条件下耐久性仿真研究。Arvin Meritor 公司运用虚拟试车场（VPG，Virtual Proving Ground）技术对载货汽车底盘系统耐久性进行了预报，并用试验方法对所得结果进行了验证，该技术得到广泛应用；MIRA公司运用VPG技术对轿车整车耐久性进行了预报，取得较好效果[3,4]。
同时虚拟试验场技术通过多体动力学仿真提取虚拟载荷，进而进行疲劳分析，支持车身和底盘结构件耐久性能开发的关键技术。面向耐久性能的汽车虚拟试验场技术是CAE领域的重大技术变革。该技术改变了传统的疲劳耐久开发对实车试验的依赖性，而是将真实的车辆简化并构造动力学模型，只保留维持内力传递路径的底盘结构，同时结合高精度的数字化路面模型和轮胎模型，用于模拟真实车辆在物理试验场耐久道路上的行驶状态。通过仿真模拟可得出底盘各连接件之间、底盘与车身连接点之间的力学响应特性，以此力学特性为输入条件即可开展汽车各零部件的疲劳分析与校核，支持耐久性能开发。
本文通过对比参考本企业乘用车底盘耐久分析标准并结合轻型商用车型的使用工况及场景，制定一套适用于轻型商用车的耐久分析和试验验证标准，并采用VPG技术进行虚拟试验场路面的分析方式对悬架系统零部件载荷进行分解，加载零部件的CAE模型分析，并验证零部件的疲劳耐久结果。采用该技术精度提升较高，压缩了试验验证周期，节省了车型的开发成本。2 用户模型及分析工况
车型定义10年24万公里整车设计寿命，并结合车辆类型、市场调研及用户目标制定使用场景的用户模型，如图1所示。在制定用户模型的过程中，归类了城市道路、一般公路、高速公路和山路等类型的道路里程及行驶车速。同时对比x、y、z三个方向损伤，转化试验场工况。由此进行对应于虚拟路面的强度及耐久工况载荷分解。
图1 用户模型
结合悬架系统是整车耐久设计的1.5倍系数，并对比上述用户场景及试验场关联，制定适用于本企业轻型商用车型的整车强度及疲劳耐久工况，如表1所示：
表1 极限强度工况
工况名称
纵向长度/
mm
路面描述
横向宽度/
mm
高度/
mm
车速
/km/h 前冲路阶400300011040/60倒冲路阶
路坑制动
路阶挤离
400300013020
12003000-5050
500040020020
前冲45路阶路阶高度110mm，倾斜45°40
倒冲45路阶路阶高度130mm，倾斜45°20耐久工况结合国内某试验场道路情况，如下表2所示：
表2 耐久路工况
道路名称路面类型循环次数车速/km/h 1号综合路
粗糙噪声路40/60
扭曲路20
搓板路50
长波路20
短波路
40
道路名称路面类型循环次数车速/km/h
1号综合路凸块路……
2号综合路
卵石路3105
井盖路1320
共振路18040砾石路150020路面接缝路
……
其它路面直线性能路
比利时路
城市工况120
……
3 分析流程
建立基于虚拟试验场悬架系统零部件分析流程规范，首先进行整车动力学模型MBS（Dynamics of Mul
ti-body System）搭建和验证的流程，如图2所示。通常模型的验证需要进行悬架系统的K&C （Kinematic and Compliance）验证，并进行整车质心和转动惯量的调配，需与测试相符。
图2 MBS模型建立和验证流程
然后建立基于VPG的仿真流程，仿真采用对应车速不同路面及车辆巡迹行驶，并通过adams模型中request进行载荷谱输出。仿真流程如下图3所示。若分解后的载荷谱出现异常，则需要核对模型和求解等过程。
图3 虚拟试验场的载荷分解流程
耐久性分析即对零部件进行疲劳寿命分析，而疲劳寿命分析的关键则是底盘边界载荷的预测[5]。本文应用分解后的载荷谱，加载到零部件有限元模型进行零部件的疲劳耐久分析，若分析结果不合格，在进行零部件模型的优化，直至分析合格。分析流程如下图4所示：
图4 有限元分析流程
4 模型搭建
4.1 轮胎模型
轮胎模型是基于虚拟试验场分析的多体动力学整车模型搭建的关键，因为在虚拟试验场路面输入多为中高频振动，对于这种中高频的轮胎模型行业内多采用Ftire轮胎模型。FTire轮胎模型原
理是将胎体与胎面分开建模，分别描述轮胎的结
2023年第3期
构与接触问题，其建模核心是将轮胎钢丝带束用80~200个集中质量的结点代替，称为带束结点，结点之间通过弹簧阻尼连接，以此来反映轮胎的各向特性。FTire轮胎模型首先要对轮胎进行物理台架测试
（如图5所示），模型辨识过程就是在特定软件中利用试验结果对每一个对标工况进行参数辨识与调整，使模型表现出的力学性能与试验结果一致。本文采用的是轮胎型号215/75 R16的轮胎，辨识轮胎模型特性文件和轮胎模型如下图6、7所示：
图5 轮胎试验台图6 Ftire轮胎模型特性文件
图7 轮胎辨识模型 4.2 整车动力学模型
建立可应用于虚拟试验场仿真的整车MBS模型，该整车动力学模型是基于adams软件进行搭建，如图8所示。包括车身模型、前悬架模型、后悬架模型、转向系统模型、制动系统模型、车身模型、动力总
成模型和轮胎模型，如图9，10所示。这里将整车模型考虑为柔性梁结构，如图11所示，同时副车架也要考虑柔性体，可精确反映实车系统的结构特点。
图8 整车动力学模型
图9 悬架、制动和转向模型
图10 轮胎模型
图11 车身柔性体模型
4.3 路面模型
根据不同试验场道路工况，综合考虑数据精度与数字化成本，可以选择激光扫描建模或人工三维绘制建模的方法进行路面数字化过程。最后得到适用于MSC.Adams仿真分析的试验场虚拟数字路面[6]。
本文基于虚拟试验场的路面模型，主要通过应用 3D激光测量系统扫描路面，将复杂的耐久路面进行复制，从而逆向建立路面模型。路面扫描设备扫描并处理的路面文件如下，如图12所示：
图12 路面模型（比利时、鹅卵石）
路面文件需处理成适用于MSC.Adams仿真分析的试验场虚拟数字路面，通常为*.rdf或*.crg格式的文件。
CRG格式的路面文件通过MATLAB编程进行展示和修改；数据部分采用二进制保存，以减少文件大小；支持当前主流动力学软件：MSC.ADAMS，Car Sim，LMS Virtual Lab；同时该格式的文件还适合激光路面数据的保存；以子块的方式动态导入程序中，导入一块算一块，便于节省内存，提高计算效率
[7,8]
。
5 VPG 载荷分解
进行上述每个工况下的整车仿真，输出零部件考察点的载荷谱，并对分解的载荷谱进行准确性评估。频率域分析可以从自功率谱密度函数体现各种频率成分能量的强弱。功率谱密度分析实质上是通过功率有限信号均方根的谱密度来描述信号的频率结构[11]。
信号的功率谱需对自相关函数进行傅里叶变换，
式1中，自相关函数R x (τ→∞)=0，X(t)是零均值的各态经历过程函数（μx =0），这时自相关函数可以满足傅里叶变换条件，即：
式中S x ( f )就是X(t)的自功率谱密度函数。分析每个工况频域特性，通过检查频域信号是否有异常峰值判断数据的合理性。下图13位轮心处的x、y、z三个方向的时域转频域谱曲线。经检查无异常情况后，分解轮心以上传递路径的零部件载荷谱。
（a）
（b）
（c）
图13 数据频谱分析a、b、c
（1）
（2）
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R x (τ)=lim x (t )x (t +τ)dt
τ→∞
S x (f )= R x (τ)e
-j 2πfτ
dt ∞
-∞
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