基于真实路谱重现的虚拟台架及汽车疲劳寿命预测研究

摘要

汽车结构的疲劳寿命决定汽车的使用年限，通常采用实车试验或计算机辅助技术来评估其疲劳寿命。实车试验结果真实准确，但试验周期较长且费用巨大;而计算机辅助技术受制于虚拟仿真与实车试验的差异及疲劳理论的缺陷，其预测精度较低，工程应用价值有限。目前，汽车结构的疲劳寿命评估依赖于实车试验，导致汽车产品的研发周期较长、研发费用巨大。
　　本文对计算机辅助技术应用于汽车结构的疲劳寿命预测领域开展系统的研究，提出基于真实路谱重现的虚拟台架方法来提高虚拟仿真的准确性，并应用于汽车结构的疲劳寿命预测中。该方法在汽车产品研发中，能够快速而准确实现汽车结构的疲劳寿命预测，指导结构的疲劳性能提升，从而减少实车试验次数，缩短汽车产品研发周期和降低研发费用，具有重要的理论和工程应用价值。本文的主要内容和创新点包括:
　　(1)提出基于真实路谱重现的虚拟台架方法，提高虚拟仿真模拟汽车实车试验的精度。采用计算机辅助技术进行汽车实车试验的虚拟仿真时，由于路面-轮胎-整车耦合关系复杂，特别是轮胎的模拟，为当前虚拟仿真技术难题，限制了疲劳寿命预测精度提高。本文提出基于真实路谱重现的虚拟台架方法，避免使用不准确的轮胎模型，反求获得实车试验中的真实激励，提高虚拟仿真模拟精度。并针对汽车零部件和白车身在实车试验中振动冲击特点，分别建立零部件虚拟台架和整车虚拟台架。
　　(2)提出分段加权的频率响应函数的识别方法，提高系统的频率响应函数识别的准确度。系统频率响应函数识别是进行基于真实路谱重现的虚拟试验台架仿真的基础，而汽车在实车试验过程中，存在较多的非线性因素影响，传统识别方法只能获得系统在线性阶段的频率响应函数，导致虚拟台架系统的初始误差较大，导致真实路谱重现难度较大。本文提出分段加权的频率响应函数的识别方法，综合考虑系统的线性和非线性部分影响，来获得系统的新频率响应函数。数值计算案例表明:该方法能够减小系统的初始误差，降低虚拟台架中真实路谱的迭代重现难度。
　　(3)提出自适应迭代的道路模拟控制算法，解决虚拟台架仿真中真实路谱信号重现迭代收敛难题。目前，道路模拟控制算法均采用远程参数控制方法，该方法采用简单修正来获得系统的目标信号迭代重现，导致迭代过程中容易出现发散或收敛效率过低问题。本文提出自适应迭代的道路模拟控制算法，通过自动实时动态调整误差反馈值，解决迭代收敛难题，快速而准确的获得真实路谱的虚拟仿真重现，提高计算效率。
　　(4)针对汽车零部件疲劳寿命预测问题，采用基于真实路谱重现的零部件虚拟台架方法，获得零部件准确疲劳寿命预测结果。零部件承受实车试验中复杂空间运动导致的冲击载荷，直接测试或虚拟仿真的方法均难获得其准确冲击载荷。针对该问题，本文采用基于真实路谱重现的零部件虚拟台架方法，获得在试验中真实冲击载荷，用于疲劳寿命预测，指导其结构设计和疲劳性能提升。零件的疲劳寿命预测与改进案例表明:该方法能够精确虚拟重现零部件在实车试验中振动冲击，从而获得零部件精确的疲劳寿命预测结果，能有效缩短汽车零部件的研发周期，实现汽车零部件的疲劳性能快速提升。
　　(5)针对白车身疲劳寿命预测问题，采用基于真实路谱重现的整车虚拟台架，获得车身结构路准确疲劳寿命预测结果，并针对白车身仿真模型较大而导致的计算效率低问题，采用应力恢复子模型方法运用于白车身结构计算中，减少改进方案计算时间和大幅提高仿真效率。在实车试验中，白车身在实车试验中的复杂冲击载荷，由于轮胎模型、悬架与白车身连接的复杂性，采用传统方法无法获得其精确冲击载荷，导致白车身结构的疲劳寿命预测精度较低。本文采用整车虚拟台架，解决实车试验中白车身冲击载荷求解难题，提高整车疲劳试验虚拟仿真的准确性，获得白车身结构的准确疲劳寿命预测值，指导其结构改进及疲劳性能提升。基于真实路谱重现的整车虚拟台架方法与实车道路试验结果对比表明:采用该方法，能够精确重现整车的路试振动冲击，获得白车身结构的准确疲劳寿命预测，能够有效指导车身结构设计和改进，实现白车身疲劳性能快速提升。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 选题的依据和意义

1．2 汽车疲劳性能研究的历史和现状

1．3 道路模拟控制算法研究的现状与发展

1．4 汽车疲劳寿命预测现状和主要问题

1．5 基于真实路谱重现的虚拟台架方法技术流程

1．6 课题研究的主要内容

第2章 基于真实路谱重现的虚拟台架方法

2．1 引言

2．2 二自由度悬架模型的振动响应重现方法

2．2．1 二自由度悬架模型的振动响应方程

2．2．2 二自由度悬架模型的振动响应重现方法

2．3 基于真实路谱重现的虚拟台架方法

2．3．1 汽车实车试验的虚拟仿真模拟难题

2．3．2 基于真实路谱重现的汽车各结构虚拟台架方法

2．4 汽车各结构的虚拟台架建立及校准

2．4．1 零部件虚拟台架建立及校准

2．4．2 整车虚拟台架建立及校准

2．5 计算案例

2．6 小结

第3章 分段加权的频率响应函数识别

3．1 引言

3．2 传统的频响函数识别方法研究

3．2．1 传统的频率响应函数的计算方法研究

3．2．2 传统的频率响应函数的计算方法缺点

3．3 分段加权的频响函数识别方法

3．4 汽车在实车试验中道路谱信号采集

3．4．1 汽车的试验道路谱采集及数据处理方法

3．4．2 零部件耐久性试验的道路谱采集

3．4．3 整车耐久性试验的道路谱采集

3．5 分段加权的频响函数识别方法计算案例

3．6 小结

第4章 自适应迭代控制的道路模拟控制算法

4．1 引言

4．2 远程参数控制方法理论及缺点研究

4．2．1 远程参数控制方法简介

4．2．2 远程参数控制方法缺点研究

4．3 自适应迭代控制的道路模拟控制算法

4．3．1 自适应迭代的道路模拟控制算法理论

4．3．2 误差反馈修正函数选择

4．4 自适应迭代的道路模拟控制算法案例

4．5 小结

第5章 零部件虚拟台架的疲劳寿命预测应用研究

5．1 引言

5．2 基于真实路谱重现的零部件虚拟台架方法的疲劳寿命预测流程

5．2 疲劳预测理论及材料疲劳性能试验

5．2．1 结构应力响应计算方法

5．2．2 疲劳寿命预测理论

5．2．3 材料疲劳性能试验

5．4 零部件虚拟台架的真实路谱重现迭代计算

5．4．1 车门系统虚拟台架的频率响应函数识别

5．4．2 车门系统虚拟台架真实路谱重现的迭代求解

5．4．2 零件载荷边界条件的求取

5．5 车门系统零件疲劳寿命预测及疲劳性能提升

5．5．1 锁扣位置疲劳寿命计算

5．5．2 车门系统耐久性路试验证

5．5．3 锁扣位置疲劳性能改进及试验验证

5．6 小结

第6章 整车虚拟台架的疲劳寿命预测应用研究

6．1 引言

6．2 基于应力恢复的子模型方法

6．3 基于真实路谱重现的整车虚拟试验台架计算研究

6．3．1 整车虚拟台架的频率响应函数识别

6．3．2 整车虚拟台架的路谱重现迭代求解

6．4 整车虚拟十二通道试验台架的真实路谱重现

6．3．1 整车虚拟台架的仿真误差研究

6．3．2 整车虚拟十二通道试验台架的迭代求解

6．3．3 白车身结构的实车试验载荷边界条件提取

6．5 实车试验中白车身结构应力响应计算

6．5．1 白车身有限元模型的动静态特性校准研究

6．5．2 白车身结构应力计算

6．6 虚拟整车台架的白车身疲劳预测及试验验证

6．6．1 白车身结构疲劳寿命预测分析

6．6．2 白车身结构耐久性路试试验

6．6．3 白车身结构疲劳寿命改进及试验验证

6．7 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A1 攻读学位期间所发表的学术论文

附录A2 攻读学位期间所参与的科研项目