整车冲击强度和残余抖动仿真分析
1、 概述
在整车性能开发过程中，主观评估、客观试验与仿真分析“三位一体”的设计思想始终贯穿其中。但由于开发周期和开发成本等因素影响，主观评估和客观试验有相应的局限性，因此仿真分析是一种必要且有效的分析手段，它有利于缩短整车开发过程中的开发周期，降低开发成本。
平顺性是整车性能的一项重要性能指标，而过坎工况（AES Bump）是评价平顺性的重要工况。其中，整车冲击强度（Impact Hardness）和残余抖动（Memory Shake）是评价过坎性能优劣的工程指标。
本文采用Altair公司的多体动力学仿真软件MotionView，对某项目一车型分别建立刚体车身整车仿真模型和柔体车身整车仿真模型，进行整车冲击强度和残余抖动仿真分析，并与试验结果进行对比分析，为整车性能开发设计提供指导。
2 、整车刚体建模仿真及试验对比分析
2.1 整车刚体建模及仿真
根据整车设计参数，在MotionView中建立整车模型，其中车身采用刚体质点模拟，并调整相关参数（如整车质心、配重、悬架刚度和减震器阻尼等）与试验车辆参数相匹配。同时，基于整车模型建立AES Bump仿真分析工况，建立仿真过坎工况路谱，控制车速与试验车速相同，并加入动刚度系数调整相关刚度在仿真时为动刚度。
建立好的刚体车身整车仿真模型如图1所示。
图1 刚体车身整车仿真模型
2.2 刚体仿真结果与试验对比分析
基于2.1所建立的刚体仿真模型进行求解计算，AES Bump整车刚体仿真结果与试验结果对比如图2-5所示。
从图2和图3中可以看出，左前轮和左后轮在轴承处的Z向响应刚体仿真结果与试验结果基本吻合，说明所建立的轮胎模型能够很好地将路面激励传递到车轮轮毂上，可以用于后续分析。
从图4和图5可以看出，座椅处X向响应和Z向响应刚体仿真结果与试验结果有较大差异，尤其是Z向响应幅值差距明显。对此，采用功率谱密度分析方法[1]对座椅处X向响应和Z向响应进行分析，得到功率谱密度频谱分析结果如图6和图7所示。
从图6和图7可以看出，对于座椅处X向频谱响应和Z向频谱响应，试验结果相比刚体仿真结果多出了额外的典型共振频率区段，且试验结果具有更大的频谱响应幅值。这说明刚体仿真模型没有反映出实际试验车辆的真实状态，刚体模型不能准确模拟整车模态特性。
3 、整车柔体建模仿真及试验对比分析
3.1 整车柔体建模及仿真
为了找出刚体仿真模型与试验车辆状态之间的差异，采用HyperMesh和OptiStruct软件生成试验车辆对应的柔体车身，如图8所示。用HyperView查看车身各阶模态，发现柔体车身典型过坎共振频率与刚体仿真模型座椅处X向频谱响应和Z向频谱响应相比试验缺少的共振频率区段接近。这说明刚体仿真模型正是由于缺少了柔体车身建模，才导致整车座椅处响应与试验结果存在差异。
考虑到柔体车身对座椅处响应的巨大影响，基于前述刚体模型，建立带有柔体车身的整车过坎仿真模型，如图9所示。同时，考虑到车身阻尼影响，调整柔体车身阻尼以匹配试验车辆[2]。
3.2 柔体仿真结果与试验对比分析
基于3.1所建立的柔体仿真模型进行求解计算，AES Bump整车柔体仿真结果与试验结果和刚体仿真结果对比如图10和图11所示。
从图10和图11可以看出，座椅处X向响应和Z向响应柔体仿真结果相比刚体仿真结果能够同试验结果更好地吻合。尤其对于Z向响应，柔体仿真结果相比刚体仿真结果的响应幅值有较大提升，从而更接近试验结果。
4 、结论
通过前述分析，在基于MotionView进行整车过坎冲击强度和残余抖动仿真分析时，不能简单将车身作为刚体处理，这样会导致求解结果与真实结果存在偏差。需要通过HyperMesh和OptiStruct建立柔体车身模型后再进行相应地仿真分析，从而获得相对准确的仿真结果，为整车性能设计提供指导。
5、 参考文献
[1] 张蓉竹, 蔡邦维, 杨春林, 等. 功率谱密度的数值计算方法[J]. 强激光与粒子束, 2000, 12(6): 661-664.
[2] 李修峰, 王亚斌, 王晨. MotionView & MotionSolve 应用技巧与实力分析[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013, : 116-157.
