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收稿日期:2020-07-22
作者简介：燕唐(1990 )，男，硕士，工程师，从事汽车结构刚强度和疲劳耐久研究㊂E-mail:yantang@catarc.ac㊂
DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.01.012
基于CDTire 的底盘部件疲劳耐久仿真分析
燕唐，高丰岭，耿动梁，卜晓兵
(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津300300)
摘要：为了在车型开发前期有效排查底盘系统设计问题，基于CDTire 轮胎模型，建立了虚拟路面底盘部件疲劳耐久仿真方法㊂根据轮胎试验数据建立高精度CDTire 轮胎模型，应用3D 扫描技术将试验场路面转换成数字路面，导入实际参数搭建某SUV 底盘刚柔耦合模型，将三者结合进行多体动力学仿真
㊂提取多体动力学结果中各零部件的路面载荷谱导入至疲劳耐久仿真软件，以SUV 前副车架为例计算汽车底盘部件的疲劳寿命㊂该仿真方法的实施可实现耐久性能设计前置，缩短研发周期降低成本㊂
关键词:CDTire 轮胎模型；多体动力学仿真；数字路面；疲劳耐久仿真中图分类号:U463.341;TQ336.1
Fatigue Durability Simulation Analysis of Chassis Components Based on CDTire
YAN Tang,GAO Fengling,GENG Dongliang,BU Xiaobing
(CATARC Automotive Test Center (Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China)
Abstract :In order to effectively check the design problems of chassis system in the early stage of vehicle development,based on the
CDTire model,the fatigue durability simulation method of chassis components using virtual proving ground technique was established.The
high-precision CDTire model was established according to the tire test data.By using 3D scanning technique,the test road was converted into digital one.The model of an SUV chassis was built by introducing the actual parameters,and the multi-body dynamic simulation was thus con-ducted.The r
oad excited load spectrum of each component from the multi-body dynamics results was extracted and imported into the fatigue
durability simulation software.The fatigue life of the front sub frame was calculated as an example.The simulation method can realize the pre design of durability,shorten the development cycle and reduce the cost.
Keywords :CDTire model;Multi-body dynamics simulation;Digital road;Fatigue durability simulation
0㊀引言
在整车的研发过程中，零部件的疲劳分析需要样车试验场载荷数据采集作为输入，利用多体动力学模型通过疲劳仿真软件计算疲劳寿命，这种传统疲劳耐久研究方法由于仿真结果的时间滞后性造成汽车零部件的优化空间减小㊁优化成本增加[1]㊂
解决这一问题就需要将疲劳耐久分析前置，通过虚拟路面技术，将多体动力学模型结合高精度轮胎模型在高可靠性数字路面上进行试验场工况仿真[2]，提取虚拟载荷谱作为后续疲劳寿命计算输入[3]㊂轮胎模型的适用性以及精度是建立虚拟路面技术的关键㊂CDTire 轮胎模型是应用成熟的物理轮胎模型之一㊂由于考虑了轮胎截面信息,CDTire 模型精度较高㊂覆盖频率较宽的特征使其能够满足操作稳定性
㊁耐久性及NVH 等车辆性能的共同开发，可为企业节约研发成本[4]㊂目前CDTire 模型在国外应用较为广泛，因其轮胎建模要求高，轮胎试验复杂，国内对其研究尚不充分,CDTire 模型在整车虚拟路面仿真应用相对较少㊂
汽车cd本文作者是在熟练掌握CDTire 轮胎建模方法基础上，结合多体动力学软件㊁3D 数字路面技术以及结构疲劳寿命分析方法实现了汽车底盘部件虚拟路面疲劳耐久全流程开发㊂
1㊀CDTire 建模
CDTire 是一种3D 非线性物理轮胎模型，其优势在于适用
的频率范围宽，可用于汽车操纵稳定性㊁耐久性㊁平顺性以及整车路噪分析㊂基于轮胎的静态(刚度)㊁稳态(滑移)及动
态(凸块冲击)等多种工况力学性能测试数据，通过对比测试与仿真曲线的整体趋势与关键特征辨识轮胎参数建立模型，如图1所示
㊂
图1㊀轮胎模型应用流程
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CDTire 模型包括质量㊁各层的刚度㊁阻尼㊁预紧力及其
沿几何截面的分布权重等100余项参数㊂文中参考某车型选
用的205/50R 17型号轮胎，轮胎的质量为9.4kg ，标准胎压
为0.23MPa ，标准载荷为650kg ，轮胎工况试验台架如图2所示
㊂
图2㊀轮胎试验台架
CDTire 每一类测试均需要考虑轮胎的预载㊁胎压以及速度
等多种工况㊂鉴于轮胎的垂向刚度㊁侧向刚度以及动态冲击刚度对整车多体动力学仿真结果影响较大，如图3所示，给出了
部分轮胎205/50R 17的CDTire 仿真曲线与试验曲线对比结果㊂根据层次结构误差计算理论，在所有的层次结构中，除了最内部的层次外，其余均为误差的加权和，轮胎辨识的总误差(err Total )是所有测试工况误差加权和，其计算方法如下:
err Total =
Σexp err exp ㊃ωexp
Σexp ωexp
(1)
式中:err exp 为每个辨识工况组误差值,ωexp 为误差权重因子㊂
计算得到的轮胎205/50R 17CDTire 模型误差为0.2051,
满足工程要求
㊂
图3㊀205/50R 17轮胎部分测试与仿真对比结果
2㊀数字路面扫描
虚拟试验场数字路面是通过车载3D 激光扫描仪对试验场路面进行扫描，然后将扫描的3D 数据生成数字路面，建立多条疲劳耐久路面数据库，作为CAE 整车疲劳耐久性能仿真激励[5]㊂
虚拟路面使用的车载3D 激光扫描仪包括:GPS 定位㊁惯性测试单元IMU ㊁激光仪㊁照相机㊁里程记录仪等设备和相应传感器㊂其工作原理是利用激光反射进行测距，扫描频率在
200Hz 以上，扫描的路面特征误差不超过1mm 实现时时记录
试验路面信息㊂扫描完成以后利用软件对测量的点云数据进行网格化处理，网格的尺寸要求不超过5mm ˑ5mm ，最后将路面
文件格式转化为多体动力学仿真软件识别的CRG 文件㊂图4为比利时实景路面与数字路面对比
㊂
图4㊀比利时实景路面与数字路面对比
3㊀整车建模
整车多体动力学模型由前悬架系统㊁后悬架系统㊁转向系统㊁动力系统㊁车身系统㊁轮胎系统等组成
㊂各子系统模型搭建需要输入的参数包括：模型的硬点参数㊁零部件的质量和转动惯量㊁衬套各项特性参数㊁减振器和弹簧的参数㊁构件连接方式㊁动力系统参数等[6]㊂
以某品牌增程式后驱电动SUV 为例，采用麦弗逊式前悬架和多连杆形式后悬㊂根据整车参数信息修改多体动力学软件模
型库中参数，轮胎采用创建的205/50R 17CDTire 模型㊂由于
发动机的高频振动和车身的外形对多体动力学载荷提取影响很
小，所以为了简化模型将发动机和车身由质量点代替，搭建的整车模型如图5所示
㊂
图5㊀整车多体动力学模型
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求解式(2) 式(4)微分方程组即可获取整车实时运动状态[7]:
m d u x d t
=(F x 1+F x 2)cos δ-(F y 1+F y 2)sin δ+F x 3+F x 4+mωu y (2)m d u y d t =(F x 1+F x 2)sin δ-(F y 1+F y 2)cos δ+F y 3+F y 4+mωu x
(3)
d ωd t =1
I zz
[a (F x 1+F x 2)sin δ+a (F y 1+F y 2)cos δ-b (F y 3+F y 4)-L 2(F x 1-F x 2)cos δ+L 2(F y 1-F y 2)sin δ-L
2
(F x 3-F x 4)](4)
式中:L 为轮距(设前后轮距相等);F xi 为各车轮的纵向力;F yi 为各车轮的横向力;u x 为汽车纵向速度;u y 为汽车横向速度;ω为汽车横摆角速度;δ为前轮转角;a 为前轴到质心的距离;b 为后轴到质心的距离;m 为汽车总质量;I zz 为车身绕z 轴的转动惯量㊂
在多体动力学分析过程中，由于零部件存在弹性变形，影响整车系统运动学特性仿真精度，因此将前副车架㊁前稳定杆㊁前摆臂㊁后副车架㊁后稳定杆离散成柔性体㊂多体动力学柔性体文件创建有3种方法:(1)通过软件直接创建成柔性体文件;(2)离散梁功能，将杆类构件离散成许多小刚性构件，刚性构件之间采用柔性单元连接，实现柔性化;(3)采用有限元软件将构件划分成小单元，生成MNF 柔性文件㊂文中采用第三种方式，首先将零部件进行网格划分，定义构件的材料和属性，然后以零部件的硬点位置为主节点，以安装位置或接触面范围内的节点为从节点，创建Rbe2单元㊂将柔性文件导入多体动力学软件中，在刚性体和柔性体连接处建立界面和通信器，并且在载荷提取位置建立相应的输出命令，便于多体动力学仿真载荷输出㊂
4 前副车架疲劳仿真分析
4.1㊀零部件载荷提取
将搭建的整车模型和数字路面导入，进行虚拟路面仿真,
根据试验场规定车速设置仿真模型的行驶速度，求解器的积分类型设置为GSTIFF ，最大求解时间步长为0.001s ㊂
从仿真结果中提取关键零部件的载荷信息㊂根据建立的模
型输出设置，提取零部件六向分力F x ㊁F y ㊁F z 和T x ㊁T y ㊁T z ㊂为了验证模型仿真的准确性，首先对其左右轮心处的载荷进行对比[8]，如图6和图7所示整车模型模拟经过30ʎ障碍路段的载荷，由于Y 载荷相对较小，只进行Z 向和X 向载荷对比，载荷谱左右轮心处的频率和幅值大小相同，两个轮心载荷值在时域上一致，证明搭建的模型和数字路面仿真准确[9]㊂
图6㊀左右轮心Z
向力
图7㊀左右轮心X 向力
4.2㊀零部件疲劳仿真分析
由于前后副车架的关联零部件多，受力也更复杂，风险
点多，一旦前后副车架疲劳失效会影响整车的安全性能，所以文中选择两者之一的前副车架作为疲劳耐久分析对象㊂前副车架生成柔性体文件时，为了避免出现焊缝应力集中，焊缝单元与其连接单元均采用四边形单元㊂图8为前副车架有限元模型㊂
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图8㊀前副车架有限元模型
采用惯性释放方法，通过在硬点位置施加各个方向单位力，得到前副车架单位力作用下的应力㊂根据前副车架的应力和仿真载荷谱，并结合材料的S-N 曲线，累加得到单一路面单次循环前副车架的损伤值㊂根据Miner 线性疲劳积累理论[10]，零部件在受到恒定循环载荷时其平均损伤值为1/N ,N 为载荷循环总次数，当载荷进行n 次循环后零部件的总损伤为C =n /N ㊂当零部件受到无规律的载荷时，其总损伤是其单一载荷损伤的叠加之和，表达式为:
D =ð
l
i =1n i
N i
(5)
式中:l 代表零部件受到不同载荷的次数;n i 代表第i 种载荷下受到的损伤的次数;N i 代表第i 种载荷下能够承受的损伤总次数;D 代表零部件受到总的损伤值，当D ⩾1时，认为零部件因疲劳损伤造成结构失效㊂
表1为仿真中耐久路面测试的速度和循环次数㊂
表1㊀疲劳耐久试验路面车速循环次数
序号试验路面名称
车速/(km ㊃h -1)
循环次数1卵石路251500
2振动路40
612
3
扭曲路
10
357
4
26"坑洼55
643
5
破损路70
119
6
石块路
60
618
7
颠簸路
15
1978
沟渠路
15
2329
路沿路55
24
10
铁轨路
30
96
11
路障
20197
前副车架的钣金疲劳分析结果如图9所示，其损伤最大在
前副车架与摆臂后安装点，损伤值为0.2074远低于1，副车
架钣金疲劳寿命满足车辆的设计使用寿命
㊂
图9㊀前副车架钣金损伤云图
前副车架由于是钣金焊接而成，故需要对前副车架的焊缝进行疲劳仿真分析[11]，如图10所示，根据损伤结果云图最大损值为0.966，最大损伤位于前副车架前端焊缝起始位置，由于焊缝起始位置的应力集中比焊缝中间部分所大造成，但其损伤值低于1，满足设计的使用寿命㊂
图10㊀前副车架焊缝损伤云图
5 结论
随着3D 轮胎模型精度的提高和虚拟数字路面技术的发展,
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使得汽车虚拟路面仿真技术的优势更加突出，使用越来越广泛㊂文中根据轮胎试验工况数据建立CDTire 轮胎模型，配合3D 数字路面和多体动力学模型，建立完整的底盘部件虚拟路面疲劳耐久仿真流程，并完成某SUV 前副车架钣金和焊缝的疲劳性能仿真分析㊂该技术路线的有效实施可以实现前置疲劳耐久性能分析方分析，缩短研发周期，降低企业研发的成本㊂
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日开发出迄今最透明最薄电位传感器膜
㊀㊀大阪大学的一个研究小组，成功开发出了全球最薄㊁透明度最高的电位传感器膜㊂
银纳米线的透明电极，因具备金属特性，拥有优异的导电性，而且比较柔韧，已逐渐被公认为是易于提高性能的材料㊂
研究小组开发了通过湿式工艺 亲水性/疏水性图案化来实现银纳米线电极微细化的技术，由此实现了同时具备透明
性㊁导电性㊁柔韧性和微细图案4个特点的透明电极㊂银纳米线布线采用十字配向结构时，实现了最小20μm 宽(与单个细胞尺寸相同)的图案尺寸㊂银纳米线电极的特性方面,25μm 宽产品的薄膜电阻为25Ω/
sq，可见光透射率高达96%㊂这些特性与大面积银纳米线透明电极相当，证明了新开发的微细化方法的有效性㊂(来源：日本科学技术振兴机构)
毫米波技术正广泛应用于无人驾驶
㊀㊀毫米波雷达指工作在毫米波波段的雷达，是测量被测物体
相对距离㊁相对速度㊁方位的高精度传感器，早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子㊁无人机㊁智能交通等多个领域㊂
同超声波雷达相比，毫米波雷达具有体积小㊁质量轻和空间分辨率高的特点㊂与红外㊁激光㊁摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾㊁烟㊁灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点㊂另外，毫米波雷达的抗干扰能力也优于其他车载传感器㊂由于毫米波在大气中衰减弱，所以可以实现更远距离的探测与感知，其中远距离雷达可以实现超过200m 的感知与探测㊂
目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同，但主要集中在24GHz 和77GHz㊂
频段在24GHz 左右的毫米波雷达检测距离有限，因此常用于检测近处的障碍物，常被用来实现的功能有盲点检测㊁变道辅助等，主要为换道决策提供感知信息㊂
而性能良好的77GHz 雷达的最大检测距离可以达到160m 以上，因此常被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向㊂长距离毫米波雷达能够用于实现紧急制动㊁高速公路跟车等功能；同时也能满足自动驾驶领域，对障碍物距离㊁速度和角度的测量需求㊂(来源‘科技日报“)
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