基于虛擬迭代的轎車車身耐久性虛擬試驗方法

吳澤勛+張林波+孟凡亮+陳玉發

摘要： 針對轎車車身開發過程中傳統耐久性試驗周期長、費用高且不容易在開發前期暴露風險的問題，采用虛擬試驗方法，基于實測道路載荷譜并結合多體動力學及有限元仿真技術進行車身疲勞壽命預測.仿真結果與實測應變片臺架試驗結果一致性很好.該方法能夠快速反映風險，大幅縮短開發周期、降低費用.

關鍵詞： 汽車； 車身； 虛擬迭代； 載荷譜； 相對損傷； 疲勞預測； 臺架試驗； 優化

中圖分類號： U463.8； TB115.1文獻標志碼： B

0引言

疲勞耐久性作為汽車性能開發過程中最重要的性能之一，幾乎每種新開發的車型都需要對其考察.汽車企業對新車型疲勞壽命評估的傳統方法都是利用實車在道路試車場進行路試.該方法雖然是最直接且最準確的，但測試時間十分冗長且人力和經費耗費巨大，即使發現問題往往也很難修改.因此，基于虛擬試驗的疲勞一體化仿真手段越來越引起汽車廠家的重視.

如何獲取車身各連接點的真實載荷譜是車身虛擬疲勞分析過程中的關鍵步驟之一.國內外同行業大多數采用約束車身的方法生成載荷譜，往往忽略車身慣性的影響[12]，導致車身連接點的載荷精度不高，模擬值與試驗值趨勢接近，但相對損傷對比往往相關10倍以上，嚴重影響車身疲勞分析的精度，尤其是連接點附近的焊點疲勞壽命值.福特公司使用固定車身加載驅動力進行載荷分解，但同時指出，若要得到較好的相關性結果，需要選擇合適的通道和工況.[3]

1車身疲勞分析流程

針對上述問題，采用虛擬試驗迭代驅動轎車車身進行耐久性分析，其中多體模型的虛擬迭代技術是實現這一目標的有效方法.以在路試場測量的輪心加速度和車輛內力載荷為輸入，以Adams所創建的多體模型為載體，通過虛擬迭代的方法反求得到外部驅動載荷，并驅動多體模型仿真得到各部件的載荷譜.

結合連接點的載荷譜，調用相應的疲勞損傷模型對白車身的疲勞壽命進行計算并與試驗對比，與設計同步優化改進，從而建立一套較可行的、更符合真實工況的車身疲勞集成優化分析流程，見圖1.

圖 1車身疲勞集成優化流程

Fig.1Integrated optimization process of car body fatigue

2虛擬迭代和載荷譜提取

為保證汽車設計滿足耐久性要求，在車輛開發初期進行試驗場道路載荷譜采集，為后續的載荷分解和疲勞仿真提供必備的輸入.在采集道路譜之前，要制定合理的采集計劃，根據測試目的布置不同的采集通道.除在關鍵位置安裝加速度、位移等傳感器外，車輛的4個車輪均安裝六分力儀，進行軸頭上的3向力（Fx，Fy和Fz）和3向力矩（Mx，My和Mz）的測試，某路面下的Fz載荷譜測試數據見圖2.圖 2Fz載荷譜測試數據

Fig.2Test data of vertical load spectrum of Fz

采用與試驗臺架迭代方法近似的虛擬迭代仿真方法，運用FEMFAT VI迭代輪心的位移，結合其他5個方向輪心六分力載荷驅動整車動力模型.整車多體動力學模型見圖3.

圖 3整車多體動力學模型

Fig.3Dynamics model of whole vehicle

模型中各參數均來自于試驗測試，包括整車軸荷參數、硬點坐標、車輪定位參數、彈性阻尼元件特性和零部件質量等.

為避免由于模型簡化處理帶來的多體動力學模型在計算時發生翻轉或不收斂的問題，采用實測彈簧的位移作為期望信號，輪心的加速度、減振器的軸向力作為監測信號，迭代計算輪心的垂向位移，以此代替六分力儀測得的垂向力，并與其他5個六分力數據作為輸入進行整車載荷分解，載荷分解過程見圖4.[4]

圖 4載荷分解過程

Fig.4Load decomposition process

通過虛擬迭代計算得到的虛擬信號與試驗測試信號的對比分析以確定分析的準確度.損傷值是評價疲勞壽命的一個指標.通常提到的“損傷值”是指“絕對損傷值”.如果對同一個部件在2種不同載荷下的疲勞進行分析，為評估2種載荷對部件疲勞性能的影響因素，可引入“相對損傷值”指標.該方法被引入至此只是為了進行相對比較：如果相對損傷值為1，說明2種載荷對疲勞的影響相同，即分析精度較高.

各通道的相對損傷對比見圖5，其中，期望通道為4個車輪軸的加速度通道和彈簧位移通道，監測通道為4個減振器通道.期望通道和監測通道與試驗測試值的相對損傷值都分布在1附近，對比精度非常高.載荷譜分解的精度直接決定疲勞分析精度.

圖 5關鍵通道的相對損傷對比

Fig.5Comparison of relative damage of key channels

減振器載荷實測與分析結果時域對比見圖6，模擬與試驗信號幾乎重疊，且相對損傷為1.1，可見分析與試驗對比具有良好的一致性，模型精度很高，載荷譜可以滿足疲勞分析要求.[3，5]

a）減振器導桿的軸向實測與分析載荷時域對比

b）時域對比的局部放大

圖 6減振器實測載荷與分析載荷對比

Fig.6Comparison of measured loads and simulated

loads of vibration absorber

3車身疲勞分析

針對某轎車車身疲勞分析，需要先建立內飾車身模型，見圖7.該模型主要包含車身以及用質量點簡化的附件模型.通過慣性釋放的分析方法得出單位力作用下節點的應力和焊點力.結合所分解的車身和懸架連接點的載荷譜，通過線性疊加的方法計算車身鈑金和焊點在試驗場載荷作用下的應力和力響應歷程.[67]endprint

圖 7內飾車身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲勞仿真方法，可以在設計前期預測高損傷的風險位置，見圖8，可知后輪罩與后地板搭接的焊點處損傷值為2.3，超過目標值1.

圖 8后輪罩與后地板搭接的焊點

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4試驗相關性及其優化改進

為驗證疲勞分析結果的可信度，在車身減振器座處粘貼應變片進行試驗，見圖9.

圖 9減振器座貼片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特別對比車身后減振器座上的應變片的應變時間歷程，見圖10.結果顯示，仿真得到的應變時間歷程與實測值相近程度較高，且相對損傷值為1.1，因此該分析精度滿足項目支持需求.圖 10減振器座貼片仿真與試驗結果對比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

設計早期同步的臺架試驗結果表明，后輪罩與后地板搭接的焊點處即分析預測的高風險位置，在試驗接近尾聲階段出現焊點開裂，見圖11，進一步驗證分析結果與臺架試驗結果相關性程度較高.

圖 11臺架試驗開裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同樣的分析流程，針對高損傷處進行疲勞優化改進，優化局部焊點的布置，提高局部結構的抗彎能力.重新校核疲勞壽命后發現，風險位置的損傷降低到0.000 1，遠低于目標值1，基本可以排除結構耐久路試風險.[810]

5結論

本文以某車型車身疲勞優化改進為例，將耐久性設計與疲勞仿真相結合，具有以下優點：

1）為提高載荷精度，采用虛擬迭代的方法，有效解決車身慣性問題，提高載荷分解的精度，并結合疲勞分析軟件計算車身的疲勞壽命，預測風險位置并進行合理改進，有效解決前期臺架試驗開裂問題，大大縮短研發周期.

2）利用虛擬試驗方法的車身疲勞優化流程能夠有效解決試驗問題，為后期車型的開發設計提供有價值的參考.參考文獻：

[1]吳利輝， 陳昌明. 基于虛擬樣機的白車身疲勞壽命研究[J]. 北京汽車， 2007（3）： 3033.

WU Lihui.CHEN Changming. Study on fatigue life of body in white based on virtual prototype[J]. Beijing Automotive Eng， 2007（3）： 3033.

[2]ZHANG Linbo， LIU Hongling， ZHANG Hongtao， et al. Component load predication from wheel force transducer measurements[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010737.

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[4]WIRJE A， CARLSSON K. Modeling and simulation of peak load events using AdamsDriving over a curb and skid against a curb[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010733.

[5]徐剛， 周鋐， 陳棟華， 等. 基于虛擬試驗臺的疲勞壽命預測研究[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2009， 37（1）： 97100.

XU Gang， ZHOU Hong， CHEN Donghua， et al. Virtual test rigbased study on fatigue life prediction[J]. J Tongji Unive： Nat Sci， 2009， 37（1）： 97100.

[6]ZHANG Y， XIAO P， PALMER T， et al. Vehicle chassis/suspension dynamics analysis： finite element model vs rigid body model[EB/OL].（19980223）[20131015].http：//papers.sae.org/980900.

[7]PUCHNER K， GAIER C， DANNBAUER H. Combining FEMoptimization and durability analysis to reach lower levels of component weight[EB/OL].（20040927）[20131015].http：//papers.sae.org/2004320085.

[8]VIDAL F A C， PALMA E. Fatigue damage on vehicles body shell： a correlation between durability and torsion tests[EB/OL].（20010305）[20131015].http：//papers.sae.org/2001011100.

[9]肖志金， 朱思洪. 基于虛擬樣機技術的輕型載貨汽車車架疲勞壽命預測方法[J]. 機械設計， 2010， 27（1）： 5963.

XIAO Zhijin， ZHU Sihong. Prediction method of fatigue lifespan of lightduty truck frame based on virtual prototype technology[J]. J Machine Des， 2010， 27（1）： 5963.

[10]da CRUZ J， do ESPRITO SANTO I， de OLIVEIRA A. A semianalytical method to generate load cases for CAE durability using virtual vehicle prototypes[EB/OL].（20031118）[20131015].http：//papers.sae.org/2003013667.

（編輯 武曉英）endprint

圖 7內飾車身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲勞仿真方法，可以在設計前期預測高損傷的風險位置，見圖8，可知后輪罩與后地板搭接的焊點處損傷值為2.3，超過目標值1.

圖 8后輪罩與后地板搭接的焊點

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4試驗相關性及其優化改進

為驗證疲勞分析結果的可信度，在車身減振器座處粘貼應變片進行試驗，見圖9.

圖 9減振器座貼片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特別對比車身后減振器座上的應變片的應變時間歷程，見圖10.結果顯示，仿真得到的應變時間歷程與實測值相近程度較高，且相對損傷值為1.1，因此該分析精度滿足項目支持需求.圖 10減振器座貼片仿真與試驗結果對比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

設計早期同步的臺架試驗結果表明，后輪罩與后地板搭接的焊點處即分析預測的高風險位置，在試驗接近尾聲階段出現焊點開裂，見圖11，進一步驗證分析結果與臺架試驗結果相關性程度較高.

圖 11臺架試驗開裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同樣的分析流程，針對高損傷處進行疲勞優化改進，優化局部焊點的布置，提高局部結構的抗彎能力.重新校核疲勞壽命后發現，風險位置的損傷降低到0.000 1，遠低于目標值1，基本可以排除結構耐久路試風險.[810]

5結論

本文以某車型車身疲勞優化改進為例，將耐久性設計與疲勞仿真相結合，具有以下優點：

1）為提高載荷精度，采用虛擬迭代的方法，有效解決車身慣性問題，提高載荷分解的精度，并結合疲勞分析軟件計算車身的疲勞壽命，預測風險位置并進行合理改進，有效解決前期臺架試驗開裂問題，大大縮短研發周期.

2）利用虛擬試驗方法的車身疲勞優化流程能夠有效解決試驗問題，為后期車型的開發設計提供有價值的參考.參考文獻：

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圖 7內飾車身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲勞仿真方法，可以在設計前期預測高損傷的風險位置，見圖8，可知后輪罩與后地板搭接的焊點處損傷值為2.3，超過目標值1.

圖 8后輪罩與后地板搭接的焊點

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4試驗相關性及其優化改進

為驗證疲勞分析結果的可信度，在車身減振器座處粘貼應變片進行試驗，見圖9.

圖 9減振器座貼片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特別對比車身后減振器座上的應變片的應變時間歷程，見圖10.結果顯示，仿真得到的應變時間歷程與實測值相近程度較高，且相對損傷值為1.1，因此該分析精度滿足項目支持需求.圖 10減振器座貼片仿真與試驗結果對比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

設計早期同步的臺架試驗結果表明，后輪罩與后地板搭接的焊點處即分析預測的高風險位置，在試驗接近尾聲階段出現焊點開裂，見圖11，進一步驗證分析結果與臺架試驗結果相關性程度較高.

圖 11臺架試驗開裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同樣的分析流程，針對高損傷處進行疲勞優化改進，優化局部焊點的布置，提高局部結構的抗彎能力.重新校核疲勞壽命后發現，風險位置的損傷降低到0.000 1，遠低于目標值1，基本可以排除結構耐久路試風險.[810]

5結論

本文以某車型車身疲勞優化改進為例，將耐久性設計與疲勞仿真相結合，具有以下優點：

1）為提高載荷精度，采用虛擬迭代的方法，有效解決車身慣性問題，提高載荷分解的精度，并結合疲勞分析軟件計算車身的疲勞壽命，預測風險位置并進行合理改進，有效解決前期臺架試驗開裂問題，大大縮短研發周期.

2）利用虛擬試驗方法的車身疲勞優化流程能夠有效解決試驗問題，為后期車型的開發設計提供有價值的參考.參考文獻：

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[4]WIRJE A， CARLSSON K. Modeling and simulation of peak load events using AdamsDriving over a curb and skid against a curb[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010733.

[5]徐剛， 周鋐， 陳棟華， 等. 基于虛擬試驗臺的疲勞壽命預測研究[J]. 同濟大學學報： 自然科學版， 2009， 37（1）： 97100.

XU Gang， ZHOU Hong， CHEN Donghua， et al. Virtual test rigbased study on fatigue life prediction[J]. J Tongji Unive： Nat Sci， 2009， 37（1）： 97100.

[6]ZHANG Y， XIAO P， PALMER T， et al. Vehicle chassis/suspension dynamics analysis： finite element model vs rigid body model[EB/OL].（19980223）[20131015].http：//papers.sae.org/980900.

[7]PUCHNER K， GAIER C， DANNBAUER H. Combining FEMoptimization and durability analysis to reach lower levels of component weight[EB/OL].（20040927）[20131015].http：//papers.sae.org/2004320085.

[8]VIDAL F A C， PALMA E. Fatigue damage on vehicles body shell： a correlation between durability and torsion tests[EB/OL].（20010305）[20131015].http：//papers.sae.org/2001011100.

[9]肖志金， 朱思洪. 基于虛擬樣機技術的輕型載貨汽車車架疲勞壽命預測方法[J]. 機械設計， 2010， 27（1）： 5963.

XIAO Zhijin， ZHU Sihong. Prediction method of fatigue lifespan of lightduty truck frame based on virtual prototype technology[J]. J Machine Des， 2010， 27（1）： 5963.

[10]da CRUZ J， do ESPRITO SANTO I， de OLIVEIRA A. A semianalytical method to generate load cases for CAE durability using virtual vehicle prototypes[EB/OL].（20031118）[20131015].http：//papers.sae.org/2003013667.

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