专利名称：车辆道路载荷的仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种仿真方法，特别涉及一种用于汽车新车型的开发设计阶段，通过数值试验的手段获得车辆在不同路面条件下的道路载荷的仿真方法，为整车及零部件的耐久性评估提供必须的外部载荷数据。
背景技术：
目前道路载荷测量领域主要采用物理试验，其主要试验设备为六分力测量系统。车轮六分力测量系统是一套进行工程试验的物理设备，主要有轴适配器、车轮六分力传感器、轮缘适配器、放大器集流环总成、电子调节设备、数据采集系统等组成，能快速测量车轮受到的三个力三个扭矩。
在新车型的概念设计阶段，由于物理样机还未得到，也无法进行物理试验，无法得到道路载荷数据，无法在设计制造过程之前进行疲劳分析，真实地预测产品的寿命。
发明内容
本发明的技术问题是要提供一种在新车型概念设计阶段使用虚拟样机预测道路载荷数据的仿真方法，在设计制造过程之前进行疲劳分析，真实地预测产品的寿命，极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种车辆道路载荷的仿真方法，该仿真方法包括如下的步骤 1)整车模块化建模； ①建立白车身、其他非核心模块有限元模型； 白车身模块包括车身壳体、车门、发动机罩以及其他车身覆盖件； 非核心模块包括转向系、传动系、制动系、仪表盘、座椅、排气管； 所述的白车身、其他非核心模块有限元模型的建立包括网格划分，单元属性选择和材料特性的赋予。网格划分完成后按照表1的各参数评价指标，对网格划分的质量进行评价。对于不符合参数要求的单元进行重新划分，为后续有限元模型计算的准确性提供必要的保证。
表1
白车身、其他非核心模块只有进行了单元属性的选择、材料特性的赋予后才能成为有限元模型。这些有限元模型用壳单元和体单元描述，有限元模型本身的焊接用刚性梁单元描述。发动机、车内成员用集中质量单元描述。
壳单元属性是指单元的厚度、壳单元的公式、厚度方向的积分点数目等。本模型的单元厚度是按照实际的厚度定的，采用B-T壳单元公式，使用缺省的厚度方向的2个积分点，如果壳单元的厚度大于1.5mm，则在厚度方向采用5个积分点。
对于一些各方向尺寸相近的几何体，建模时使用体单元划分网格，如果一些模型中同时有六面体单元与四面体及五面体单元，则使退化的六面体单元按四面体及五面体单元公式计算，增加计算的稳定性。采用中心单点积分，需要控制沙漏。由于预测载荷的需要，厚度方向至少划分两个单元。
对于材料属性，车身及其他部件主要为金属材料。金属材料要体现其物理、力学性能，采用分段线性各向同性弹塑性材料模型。
②悬架有限元模型； 悬架有限元模型，是考虑了悬架弹性衬套的刚度和阻尼特性，通过离散单元、弹簧以及阻尼单元进行建模。使用6个零长度的离散弹簧(3个平移，3个转动)和6个零长度的离散阻尼单元(3个平移，3个转动)来描述弹性衬套。刚度可以定义在局部方向上，刚度和阻尼特性能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—变形关系的曲线，对于阻尼特性来说是力—速度曲线。
悬架弹簧是使用线弹性离散弹簧单元来进行建模的。振动与回弹锁止也是用非线性弹簧单元进行建模的，该非线性弹簧单元的刚度分别只在悬架振动与回弹运动行程之内定义，当变形量达到这个界限的时候，弹簧的刚度将远大于原来弹簧的刚度，以此来实现限制弹簧运动行程的功能。由于模型在路面上行驶的时候施加了重力加速度，因此，车身的重量将会对悬架弹簧起作用，所以，悬架弹簧在仿真运算开始前已经具有一定的变形，因此在建模的时候需要将弹簧从自由长度条件下施加一个初始压缩量，这样弹簧才能在分析时刻为0的时候产生一个力。弹簧的刚度能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—变形关系的载荷曲线。
悬架的减振器是用非线性粘性离散阻尼单元进行建模的，压杆在圆柱体内的运动通过使用柱型连接来实现，同时使用刚体材料以梁单元来构造压杆体和活塞杆。减振器的阻尼特性能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—速度关系的载荷曲线。
③轮胎有限元模型； 包括轮胎的径向刚度、侧向刚度、外倾刚度和侧偏刚度在内的机械特性，保证地面与轮胎产生的力与位移准确地传递到悬架系统以及车身上。该轮胎由上胎面、下胎面、顶层帘布、侧壁、包布、轮毂和轮辋组成，轮胎几何结构和受力情况异常复杂，而且橡胶材料具有不均匀性、不可压缩性、物理非线性及帘布-橡胶复合材料的各向异性等因素。其中上胎面、下胎面和包布采用实体单元，其他部分采用壳体单元。
2)整车模块化模型的验证； ①白车身模型的校核； 包括白车身的弯曲刚度、扭转刚度(静态特性)校核，和白车身的模态信息(动态特性)校核。与物理试验获得的垂直位移量、扭转变形量、模态信息比较完成校核。
白车身的静态弯曲刚度约束前后支撑处所有自由度，在前后座椅处施加载荷，通过静态有限元分析获得白车身各个单元的变形量。与物理实验中通过垂直位移传感器，测得垂直位移量比较完成弯曲刚度校核。
白车身扭转刚度约束是，后支撑刚性固定，前支撑施加扭矩，通过静态有限元分析获得白车身的扭转变形量。与物理实验中通过位移传感器，测得并换算得到的扭转变形量比较完成扭转刚度校核。
白车身模态分析过程中不施加任何约束，利用采用分块兰索斯法(block lanczos)提取前若干阶模态信息，此算法求解精度高，计算速度较快，适用于对大型对称特征值求解问题。与物理试验比较完成模态信息的校核。
②悬架模型的校核； 悬架的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支撑力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力所造成的力矩都要传递到车身上。为了验证悬架模型建立的正确性，对该模型进行包括悬架模型动力传递试验和悬架模型偏频试验。
悬架模型动力传递试验条件 约束将车身固定，即将悬架上与车身连接的部件进行约束，包括减振器支点、横向稳定杆中部的梁、转向拉杆和小摆臂；载荷在左右万向节头位置施加Z方向的载荷；输出定义减振器和衬套上的力输出。
关于悬架模型偏频试验条件 建立一个有120mm凸起的特殊路面。测试前悬架偏频时将前轮置于凸台上，对汽车进行静平衡分析，然后再对汽车施加水平方向的匀速运动，使得汽车能驶过凸台然后在重力作用下作自由落体运动，记录车身点的时间历程响应，根据频率与振动周期的关系，即可得到前悬架的振动固有频率。后悬架的偏频仿真方法与前悬架相同。
③轮胎模型的校核； 轮胎的径向刚度虚拟试验首先建立轮胎模型和轮胎下方建立刚性平板的有限元模型；然后定义轮心处6个方向的自由度、创建轮胎和刚性板之间的自动面对面接触；最后在轮胎Z方向设定恒定速度和仿真持续时间，同时为减小系统动态效应，施加系统阻尼，取0.2。
纵向刚度试验时，固定轮心除了垂直方向平动自由度，在轮心加上垂直预载荷，并在此条件下，定义平板的沿轮胎纵向方向的匀速运动，则纵向方向的接触力与平板的位移关系即可表征轮胎的纵向刚度。
自由跌落分析是轮胎的标准动力试验之一。为了验证有限元轮胎的动力特性和特征，进行1m的自由跌落分析。从动力方程可以得到 式中h为初始高度，g为重力加速度。V是跌落物体在接触到地面之前的速度。与静态刚度试验不同的是，系统阻尼和动力缩减都不需要引入到跌落分析中。轮胎中心的位移和速度响应为仿真的重要结果。
3)整车模型的装配； 所述整车模型的装配主要有两大类部件与部件连接方式，一类给其施加运动副，施加了运动副之后，部件与部件之间就只能进行一定的相对运动，这种方式主要包括铰链，如车轮与悬架的连接，车门与车身的连接都是采用铰链运动副；另一类是完全约束两个或多个部件之间的相对运动，也就是所谓的约束。对于不同类型的部件之间，所能采用的约束方式是不一样的，见表2所示 表2
4)整车模型的验证； 由于众多因素会影响整车模型建立的准确性，所以模型在用于道路载荷仿真分析前，需要采用一定的方式加以校核和验证，其中一个重要的校核项目是模型重心的位置。一般有限元前处理软件可以自动计算出模型的重心，校核的方法是将计算出的重心位置和测出的重心位置相对比，如果符合，就从一个侧面说明了模型的准确性。如果不符合，则通过调整集中质量单元的位置，使有限元模型的重心与物理样机重心吻合。
5)建立强化耐久性道路有限元模型； 通常把路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q(I)，称为路面纵断面曲线或不平度函数。作为车辆输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。
按照国标GB7031-86《车辆振动输入——路面平度表示方法》，路面不平度位移功率谱密度拟合表达式采用下式 式中n0—参考频率，n0＝0.1m-1；Gd(n0)—为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，m2/m-1；Gd(n)—路面不平度，m2/m-1；w—频率指数，经验值w＝2。
已知在空间频率n1<n<n2内的路面位移谱密度为Gd(n)，利用平稳随机过程的平均功率的频谱展开性质，路面不平度的方差
为 将区间(n1，n2)划分为n个小区间，取每个小区间的中心频率nmid-i(i＝1，2，…，n)处的谱密度值Gd(nmid-i)代替Gd(n)在整个小区间内的值，则式(1—2)离散化后近似为 对应每个小区间，现在要找到具有频率nmid-i(i＝1，2，…，n)且其标准差为
正弦波函数，这样的正弦波函数可为 将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到频域路面随机位移输入 式中θ—
上均匀分布的随机数；x—频域路面的X方向 自此，通过离散频域路面的X方向的x值，就可以得到空间频域下随机路面Y方向的值。
据统计，我国高等级公路路面谱基本上在A、B、C三级范围之内，只是B、C级路面占的比重比较大。
强化耐久性道路通常包括扭转路面、摇摆路面、坑洼路面、鹅卵石路面、搓板路面、比利时路面等，这些路面会产生强大的冲击力，加速部件磨损，能在很短的行驶里程里暴露汽车结构可靠性与强度方面的弱点，为在有限的时间和距离内高效率的完成试验提供了可能。
按照路面的设计要求、几何参数等，用刚性壳单元模拟目标试验场路面，建立虚拟试验场路面模型。
6)模型的初始化； 建立整车有限元模型时，悬架处于设计位置而不是工作位置，此时轮胎没有充气也没有与路面接触。这种状况不符合后续路面激励试验中所需要的初始状态，会使得仿真中出现下冲，出现不稳定状况。因而需要在进行虚拟路面试验时进行模型的初始化，即需要进行稳定试验。
将整车模型放置在平直路面上。通过施加重力加速度初始条件，轮胎压力和悬架的预载荷来使得响应达到平衡状态。车身的重力通过在施加z方向加速度获取。车轮轴心加上恒定角速度，路面加上对应于车轮转速的平移速度。采用系统阻尼来保证收敛，从而使系统尽快的到达平衡状态。在进行完稳定试验后，就可以通过完全重启动过程进行基于特定试验路面的试验。
完全重启动是利用LS-DYNA程序求解时，当对输入模型做出大量修改时(如更换路面模型等)，为考虑前面分析的相关部件的变形和应力情况而进行另一个全新分析。
稳定试验计算得到的D3DUMP文件(LS-DYNA中一种文件格式)作为重启动文件，同时将稳定试验中的平直路面修改为特定的试验路面后作为重启动输入文件，进行重启动分析。
7)得到虚拟道路载荷结果； 通过进行显示动力学分析，获得在对应路面行驶时间段内的时间历程，包括关键部件连接处的位移、速度、加速度、力、力矩的时间历程，有限单元的应力应变时间历程等。
整车模型基于有限元方法的系统运动方程的矩阵形式为 M为整车模型的质量矩阵，C为整车模型的阻尼矩阵，K整车模型的刚度矩阵，P(t)为外力向量，
节点加速度列阵，
节点速度列阵，U节点位移列阵。
由于隐式求解方法一般采用增量迭代法，需要转换刚度矩阵，需要一系列的线性逼近来求解，对于汽车道路载荷预测这样存在内部接触这样高度非线性动力学问题常常无法保证收敛。
通常利用显式中心差分法进行时间积分求解，在已知0……，tn时间步解的情况下，求解tn+1时间步的解，运动方程为 式中P(tn)为外力向量列阵，Fint(tn)为内力矢量为单元内力和接触力之和，表达式为，单元的内力由当前构型的应力场的散度求得，H(tn)为沙漏阻力。把质量矩阵移到方程的右边，求得tn时刻的加速度为 tn+1时刻的速度和位移由下面公式求得 其中 这样可以求得tn+1时刻的位移，更新时刻的系统几何构型，得到tn+1时刻系统新的几何构型。
8)与物理道路载荷进行对比验证。
通过虚拟道路试验的仿真方法得到车轮轮轴处的六分力，包括X、Y、Z三个方向的力和力矩，与在物理路面用物理样车，采用六分力测量仪得到的数据进行对比验证。
本发明的优越功效在于 (1)本发明利用虚拟试验获得道路载荷的方法，通过有限元建模、模型验证、模型初始化、显示动力学分析求解得到整车及关键部件连接部位的载荷的时间历程； (2)在道路载荷分析过程中，避免了传统CAE分析部件间受力关系难以确定的困难，如在车身随机响应疲劳分析中，避免了必须通过样车试验确定悬挂支点对车身作用力谱，再对这些作用力谱滤波、强化、数字化和对车身支点施加谱载荷谱表等一系列复杂工作；对悬挂转向系统运动学和动力学分析而言，不必将车身简化为刚体，车身对悬挂转向系统的弹性和非线性变形影响可真实计入计算分析中，从而提高了分析精度； (3)以整车为分析对象，边界条件只有路面和车速。这样道路载荷实现了规范化、标准化，使计算结果更加真实准确，可比性提高。路面模型可以参照试验场(如海南试验场、安徽定远试验场等)建立，也可以按照客户使用条件下的路面状况建立； (4)计算道路载荷过程包含了高度非线性分析，如结构非线性因素、车身支撑和发动机支撑等橡胶连接件的非线性因素、悬挂转向系统连接和缓冲件的非线性因素、车轮轮胎的非线性因素、轮胎和地面接触条件等。因此分析结果中几乎排除了传统CAE技术分析时常使用的人为假定，大幅度提高计算精度； (5)本发明的仿真方法可以缩短开发时间，减低成本，对汽车在概念设计阶段的开发，具有重大意义。在新车型概念设计阶段使用虚拟样机预测道路载荷，可以在设计制造过程之前进行疲劳分析，真实地预测产品的寿命，极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。
图1为本发明的仿真方法的流程图； 图2为白车身、其他非核心模块有限元模型网格划分的流程图； 图3为白车身的静态弯曲刚度约束示意图； 图4为白车身的扭转刚度约束示意图； 图5为轮胎径向、纵向刚度虚拟试验的流程图； 图6为车轮与悬架连接处三个方向力的结果示意图； 图7为车轮与悬架连接处另三个方向力的结果示意图。
具体实施例方式 请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种车辆道路载荷的仿真方法，该仿真方法包括如下的步骤 1)整车模块化建模； ①建立白车身、其他非核心模块有限元模型； 白车身模块包括车身壳体、车门、发动机罩以及其他车身覆盖件； 非核心模块包括转向系、传动系、制动系、仪表盘、座椅、排气管； 所述的白车身、其他非核心模块有限元模型的建立包括网格划分，如图2所示，单元属性选择和材料特性的赋予。
网格划分完成后按照表1的各参数评价指标，对网格划分的质量进行评价。对于不符合参数要求的单元进行重新划分，为后续有限元模型计算的准确性提供必要的保证。
表1
白车身、其他非核心模块只有进行了单元属性的选择、材料特性的赋予后才能成为有限元模型。这些有限元模型用壳单元和体单元描述，有限元模型本身的焊接用刚性梁单元描述。发动机、车内成员用集中质量单元描述。
壳单元属性是指单元的厚度、壳单元的公式、厚度方向的积分点数目等。本模型的单元厚度是按照实际的厚度定的，采用B-T壳单元公式，使用缺省的厚度方向的2个积分点，如果壳单元的厚度大于1.5mm，则在厚度方向采用5个积分点。
对于一些各方向尺寸相近的几何体，建模时使用体单元划分网格，如果一些模型中同时有六面体单元与四面体及五面体单元，则使退化的六面体单元按四面体及五面体单元公式计算，增加计算的稳定性。采用中心单点积分，需要控制沙漏。由于预测载荷的需要，厚度方向至少划分两个单元。
白车身、其他非核心模块只有进行了单元属性的选择、材料特性的赋予后才能成为有限元模型。
②悬架有限元模型； 悬架有限元模型，是考虑了悬架弹性衬套的刚度和阻尼特性，通过离散单元、弹簧以及阻尼单元进行建模。使用6个零长度的离散弹簧(3个平移，3个转动)和6个零长度的离散阻尼单元(3个平移，3个转动)来描述弹性衬套。刚度可以定义在局部方向上，刚度和阻尼特性能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—变形关系的曲线，对于阻尼特性来说是力—速度曲线。
悬架弹簧是使用线弹性离散弹簧单元来进行建模的。振动与回弹锁止也是用非线性弹簧单元进行建模的，该非线性弹簧单元的刚度分别只在悬架振动与回弹运动行程之内定义，当变形量达到这个界限的时候，弹簧的刚度将远大于原来弹簧的刚度，以此来实现限制弹簧运动行程的功能。由于模型在路面上行驶的时候施加了重力加速度，因此，车身的重量将会对悬架弹簧起作用，所以，悬架弹簧在仿真运算开始前已经具有一定的变形，因此在建模的时候需要将弹簧从自由长度条件下施加一个初始压缩量，这样弹簧才能在分析时刻为0的时候产生一个力。弹簧的刚度能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—变形关系的载荷曲线。
悬架的减振器是用非线性粘性离散阻尼单元进行建模的，压杆在圆柱体内的运动通过使用柱型连接来实现，同时使用刚体材料以梁单元来构造压杆体和活塞杆。减振器的阻尼特性能是线性的，也能是非线性的，如果是非线性的，则需要定义一条描述力—速度关系的载荷曲线。
③轮胎有限元模型； 包括轮胎的径向刚度、侧向刚度、外倾刚度和侧偏刚度在内的机械特性，保证地面与轮胎产生的力与位移准确地传递到悬架系统以及车身上。该轮胎由上胎面、下胎面、顶层帘布、侧壁、包布、轮毂和轮辋组成，轮胎几何结构和受力情况异常复杂，而且橡胶材料具有不均匀性、不可压缩性、物理非线性及帘布-橡胶复合材料的各向异性等因素。其中上胎面、下胎面和包布采用实体单元，其他部分采用壳体单元。
2)整车模块化模型的验证； ①白车身模型的校核； 包括白车身的弯曲刚度、扭转刚度(静态特性)校核，和白车身的模态信息(动态特性)校核。与物理试验获得的垂直位移量、扭转变形量、模态信息比较完成校核。
如图3所示，白车身的静态弯曲刚度约束前后支撑处所有自由度，在前后座椅处施加载荷，通过静态有限元分析获得白车身各个单元的变形量。与物理实验中通过垂直位移传感器，测得垂直位移量比较完成弯曲刚度校核。
如图4所示，白车身扭转刚度约束是，后支撑刚性固定，前支撑施加扭矩，通过静态有限元分析获得白车身的扭转变形量。与物理实验中通过位移传感器，测得并换算得到的扭转变形量比较完成扭转刚度校核。
白车身模态分析过程中不施加任何约束，利用采用分块兰索斯法(block lanczos)提取前若干阶模态信息，此算法求解精度高，计算速度较快，适用于对大型对称特征值求解问题。与物理试验比较完成模态信息的校核。
②悬架模型的校核； 悬架的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支撑力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力所造成的力矩都要传递到车身上。为了验证悬架模型建立的正确性，对该模型进行包括悬架模型动力传递试验和悬架模型偏频试验。
悬架模型动力传递试验条件 约束将车身固定，即将悬架上与车身连接的部件进行约束，包括减振器支点、横向稳定杆中部的梁、转向拉杆和小摆臂；载荷在左右万向节头位置施加Z方向的载荷；输出定义减振器和衬套上的力输出。
关于悬架模型偏频试验条件 建立一个有120mm凸起的特殊路面。测试前悬架偏频时将前轮置于凸台上，对汽车进行静平衡分析，然后再对汽车施加水平方向的匀速运动，使得汽车能驶过凸台然后在重力作用下作自由落体运动，记录车身点的时间历程响应，根据频率与振动周期的关系，即可得到前悬架的振动固有频率。后悬架的偏频仿真方法与前悬架相同。
③轮胎模型的校核； 如图5所示，轮胎的径向刚度虚拟试验首先建立轮胎模型和轮胎下方建立刚性平板的有限元模型；然后定义轮心处6个方向的自由度、创建轮胎和刚性板之间的自动面对面接触；最后在轮胎Z方向设定恒定速度和仿真持续时间，同时为减小系统动态效应，施加系统阻尼，取0.2。
纵向刚度试验时，固定轮心除了垂直方向平动自由度，在轮心加上垂直预载荷，并在此条件下，定义平板的沿轮胎纵向方向的匀速运动，则纵向方向的接触力与平板的位移关系即可表征轮胎的纵向刚度。
自由跌落分析是轮胎的标准动力试验之一。为了验证有限元轮胎的动力特性和特征，进行1m的自由跌落分析。从动力方程可以得到 式中h为初始高度，g为重力加速度。V是跌落物体在接触到地面之前的速度。与静态刚度试验不同的是，系统阻尼和动力缩减都不需要引入到跌落分析中。轮胎中心的位移和速度响应为仿真的重要结果。
3)整车模型的装配； 所述整车模型的装配主要有两大类部件与部件连接方式，一类给其施加运动副，施加了运动副之后，部件与部件之间就只能进行一定的相对运动，这种方式主要包括铰链，如车轮与悬架的连接，车门与车身的连接都是采用铰链运动副；另一类是完全约束两个或多个部件之间的相对运动，也就是所谓的约束。对于不同类型的部件之间，所能采用的约束方式是不一样的，见表2所示 表2
4)整车模型的验证； 由于众多因素会影响整车模型建立的准确性，所以模型在用于道路载荷仿真分析前，需要采用一定的方式加以校核和验证，其中一个重要的校核项目是模型重心的位置。一般有限元前处理软件可以自动计算出模型的重心，校核的方法是将计算出的重心位置和测出的重心位置相对比，如果符合，就从一个侧面说明了模型的准确性。如果不符合，则通过调整集中质量单元的位置，使有限元模型的重心与物理样机重心吻合。
5)建立强化耐久性道路有限元模型； 通常把路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q(I)，称为路面纵断面曲线或不平度函数。作为车辆输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。
按照国标GB7031-86《车辆振动输入——路面平度表示方法》，路面不平度位移功率谱密度拟合表达式采用下式 式中n0—参考频率，n0＝0.1m-1；Gd(n0)—为参考空间频率n0下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，m2/m-1；Gd(n)—路面不平度，m2/m-1；w—频率指数，经验值w＝2。
已知在空间频率n1<n<n2内的路面位移谱密度为Gd(n)，利用平稳随机过程的平均功率的频谱展开性质，路面不平度的方差
为 将区间(n1，n2)划分为n个小区间，取每个小区间的中心频率nmid-i(i＝1，2，…，n)处的谱密度值Gd(nmid-i)代替Gd(n)在整个小区间内的值，则式(1—2)离散化后近似为 对应每个小区间，现在要找到具有频率nmid-i(i＝1，2，…，n)且其标准差为
正弦波函数，这样的正弦波函数可为 将对应于各个小区间的正弦波函数叠加起来，就得到频域路面随机位移输入 式中θ—
上均匀分布的随机数；x—频域路面的X方向 自此，通过离散频域路面的X方向的x值，就可以得到空间频域下随机路面Y方向的值。
据统计，我国高等级公路路面谱基本上在A、B、C三级范围之内，只是B、C级路面占的比重比较大。
强化耐久性道路通常包括扭转路面、摇摆路面、坑洼路面、鹅卵石路面、搓板路面、比利时路面等，这些路面会产生强大的冲击力，加速部件磨损，能在很短的行驶里程里暴露汽车结构可靠性与强度方面的弱点，为在有限的时间和距离内高效率的完成试验提供了可能。
按照路面的设计要求、几何参数等，用刚性壳单元模拟目标试验场路面，建立虚拟试验场路面模型。
6)模型的初始化； 建立整车有限元模型时，悬架处于设计位置而不是工作位置，此时轮胎没有充气也没有与路面接触。这种状况不符合后续路面激励试验中所需要的初始状态，会使得仿真中出现下冲，出现不稳定状况。因而需要在进行虚拟路面试验时进行模型的初始化，即需要进行稳定试验。
将整车模型放置在平直路面上。通过施加重力加速度初始条件，轮胎压力和悬架的预载荷来使得响应达到平衡状态。车身的重力通过在施加z方向加速度获取。车轮轴心加上恒定角速度，路面加上对应于车轮转速的平移速度。采用系统阻尼来保证收敛，从而使系统尽快的到达平衡状态。在进行完稳定试验后，就可以通过完全重启动过程进行基于特定试验路面的试验。
完全重启动是利用LS-DYNA程序求解时，当对输入模型做出大量修改时(如更换路面模型等)，为考虑前面分析的相关部件的变形和应力情况而进行另一个全新分析。
稳定试验计算得到的D3DUMP文件(LS-DYNA中一种文件格式)作为重启动文件，同时将稳定试验中的平直路面修改为特定的试验路面后作为重启动输入文件，进行重启动分析。
7)得到虚拟道路载荷结果； 通过进行显示动力学分析，获得在对应路面行驶时间段内的时间历程，包括关键部件连接处的位移、速度、加速度、力、力矩的时间历程，有限单元的应力应变时间历程等。
整车模型基于有限元方法的系统运动方程的矩阵形式为 M为整车模型的质量矩阵，C为整车模型的阻尼矩阵，K整车模型的刚度矩阵，P(t)为外力向量，
节点加速度列阵，
节点速度列阵，U节点位移列阵。
由于隐式求解方法一般采用增量迭代法，需要转换刚度矩阵，需要一系列的线性逼近来求解，对于汽车道路载荷预测这样存在内部接触这样高度非线性动力学问题常常无法保证收敛。
通常利用显式中心差分法进行时间积分求解，在已知0……，tn时间步解的情况下，求解tn+1时间步的解，运动方程为 式中P(tn)为外力向量列阵，Fint(tn)为内力矢量为单元内力和接触力之和，表达式为，单元的内力由当前构型的应力场的散度求得，H(tn)为沙漏阻力。把质量矩阵移到方程的右边，求得tn时刻的加速度为 tn+1时刻的速度和位移由下面公式求得 其中 这样可以求得tn+1时刻的位移，更新时刻的系统几何构型，得到tn+1时刻系统新的几何构型，如图6、图7所示。
8)与物理道路载荷进行对比验证。
通过虚拟道路试验的仿真方法得到车轮轮轴处的六分力，包括X、Y、Z三个方向的力和力矩，与在物理路面用物理样车，采用六分力测量仪得到的数据进行对比验证。
权利要求
1、一种车辆道路载荷的仿真方法，该方法包括如下的步骤
1)整车模块化建模；
①建立白车身、其他非核心模块有限元模型；
②悬架有限元模型；
③轮胎有限元模型；
2)整车模块化模型的验证；
①白车身模型的校核；
②悬架模型的校核；
③轮胎模型的校核；
3)整车模型的装配；
4)整车模型的验证；
5)建立强化耐久性道路有限元模型；
6)模型的初始化；
7)得到虚拟道路载荷结果；
8)与物理道路载荷进行对比验证。
2、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
步骤1)中的建立白车身、其他非核心模块有限元模型，其中
白车身模块包括车身壳体、车门、发动机罩以及其他车身覆盖件；
非核心模块包括转向系、传动系、制动系、仪表盘、座椅、排气管；
所述的白车身、其他非核心模块有限元模型的建立包括网格划分，单元属性选择和材料特性的赋予，白车身、其他非核心模块只有进行了单元属性的选择、材料特性的赋予后才能成为有限元模型。
3、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
步骤1)中的悬架有限元模型，是考虑了悬架弹性衬套的刚度和阻尼特性，通过离散单元、弹簧以及阻尼单元进行建模。
4、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
步骤1)中的轮胎有限元模型，是包括轮胎的径向刚度、侧向刚度、外倾刚度和侧偏刚度在内的机械特性，保证地面与轮胎产生的力与位移准确地传递到悬架系统以及车身上。
5、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
步骤2)中的白车身模型的校核，包括白车身的弯曲刚度、扭转刚度的(静态)校核和模态(动态)校核，与物理试验获得的垂直位移量、扭转变形量、模态信息比较完成校核。
6、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
步骤2)中的悬架模型的校核，包括悬架模型动力传递试验和悬架模型偏频试验。
7、按权利要求1所述的车辆道路载荷的仿真方法，其特征在于
所述整车模型的装配主要有两大类部件与部件连接方式，一类是部件与部件之间就只能进行一定的相对运动；另一类是完全约束两个或多个部件之间的相对运动。
全文摘要
一种车辆道路载荷的仿真方法，该方法包括如下的步骤1)整车模块化建模；2)整车模块化模型的验证；3)整车模型的装配；4)整车模型的验证；5)建立强化耐久性道路有限元模型；6)模型的初始化；7)得到虚拟道路载荷结果；8)与物理道路载荷进行对比验证。本发明的优点是缩短了开发时间，减低成本，对汽车在概念设计阶段的开发，具有重大意义。在新车型概念设计阶段使用虚拟样机预测道路载荷，可以在设计制造过程之前进行疲劳分析，真实地预测产品的寿命，极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。
文档编号G06F17/50GK101510230SQ20091004738
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者吴光强, 李运超, 云 盛 申请人:同济大学