某鋁制乘用車白車身疲勞壽命計(jì)算

夏德偉，劉麗霞，徐志強(qiáng)，齊飛

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司北京技術(shù)與發(fā)展中心，北京 100020）

引言

更換更輕質(zhì)的白車身材料是新能源車發(fā)展的一種重要手段，鋁合金因其輕質(zhì)、可塑性強(qiáng)、回收性好等優(yōu)良的性能被廣泛使用。但與傳統(tǒng)車相比，鋁合金車身的應(yīng)用技術(shù)并不是很成熟，所以在設(shè)計(jì)階段借助于有限元分析技術(shù)以節(jié)約前期開(kāi)發(fā)的成本且能有效提高整車的可靠性。一般針對(duì)白車身用到的有限元分析技術(shù)包括整車強(qiáng)度分析、剛度分析、碰撞分析、疲勞壽命計(jì)算等。

本文針對(duì)某鋁制乘用車白車身利用前處理軟件 Hyper-mesh和專業(yè)的疲勞分析軟件 ncode對(duì)該車進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算。從而，根據(jù)計(jì)算結(jié)果指出在該類型乘用車設(shè)計(jì)中，針對(duì)疲勞需要重點(diǎn)關(guān)注的位置。

1　模型的建立

本文研究的鋁制乘用車有限元模型如圖1所示：

圖1　整車有限元模型

整車主要以S4R的單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三角形網(wǎng)格占比小于 5%，其余網(wǎng)格質(zhì)量控制參數(shù)也均滿足有限元結(jié)果可靠性對(duì)網(wǎng)格的要求。

本文除建立了白車身的有限元模型外，還建立了懸架的簡(jiǎn)化模型。模型中利用SPRINGA單元模擬彈簧、CONN3D2單元模擬橡膠襯套、剛性連接模擬各點(diǎn)之間、輪心和對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的連接。該簡(jiǎn)化建模方法既考慮了輪胎和白車身之間彈簧和橡膠襯套的聯(lián)合作用，同時(shí)又避免了在疲勞分析過(guò)程中通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)對(duì)實(shí)測(cè)載荷譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換這一繁瑣過(guò)程。此類懸架簡(jiǎn)化方法的正確性已在其它項(xiàng)目研究中驗(yàn)證了它的正確性。

圖2　右前懸架簡(jiǎn)化模型

2　疲勞分析過(guò)程

2.1　疲勞分析理論及流程簡(jiǎn)介

材料在循環(huán)載荷作用下，性能下降的過(guò)程稱為疲勞損傷，當(dāng)損傷累積到一定程度，就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。一般疲勞壽命計(jì)算中通常用的累積損傷理論為Miner線性累積損傷理論[1]，損傷累積法則為：

其中：ni為某應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為該應(yīng)力水平下發(fā)生破壞時(shí)的壽命；N為疲勞壽命。當(dāng)D=1時(shí)，疲勞破壞發(fā)生。疲勞破壞分為高周疲勞和低周疲勞，分界標(biāo)準(zhǔn)為循環(huán)次數(shù)是否大于103。

圖3　典型的S-N曲線和E-N曲線對(duì)比圖

高周疲勞一般基于材料的S-N曲線進(jìn)行疲勞分析，低周疲勞為E-N曲線。本文在分析中采用前者。

一個(gè)典型的疲勞分析流程圖為[2]：

圖4　疲勞分析流程圖

以該分析流程為指導(dǎo)，以下逐一說(shuō)明每一部分涉及到的參數(shù)設(shè)置、計(jì)算過(guò)程等。

2.2　應(yīng)力場(chǎng)

在Hypermesh中，設(shè)置白車身的25個(gè)工況，包括白車身正常工作狀態(tài)和車輪中心單位力和單位力矩作用的工況，具體設(shè)置為：

表1　工況設(shè)置

其中，工況1的載荷施加在各部件安裝所對(duì)應(yīng)的位置，工況1的邊界條件和工況2-25的載荷施加在簡(jiǎn)化懸架對(duì)應(yīng)的輪心位置處。設(shè)置工況1的目的是觀察車身在靜載工況下，應(yīng)力值較大的位置，從而在一定程度上可以預(yù)測(cè)疲勞失效的位置。工況1的局部應(yīng)力云圖：

圖5　工況1前副車架部分計(jì)算應(yīng)力云圖

從整車應(yīng)力云圖可以看出，白車身應(yīng)力較大的位置集中在前、后副車架和鈑金件弧度較大位置。這也通常是最容易發(fā)生疲勞的位置。

將2至25工況計(jì)算得到的odb文件作為白車身疲勞分析應(yīng)力場(chǎng)的輸入，以工況2為例，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)為：

圖6　工況2前副車架部分計(jì)算應(yīng)力云圖

得到的整車24個(gè)單位力作用下的應(yīng)力云圖分布后，可以作為整車疲勞分析的應(yīng)力場(chǎng)。

2.3　材料的S-N曲線

一般，材料的S-N曲線定義了在應(yīng)力比R=-1時(shí)，應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。冪函數(shù)是描述材料S-N曲線最常用的經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

其中，m、C是與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)，對(duì)以上公式兩邊進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，可知應(yīng)力S和壽命N之間為線性對(duì)數(shù)關(guān)系。

獲取S-N曲線的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)和利用軟件自動(dòng)生成。本文利用 Ncode軟件，以白車身中用到的材料 AL-6061為例，根據(jù)材料的強(qiáng)度極限自動(dòng)生成如下曲線：

圖7　AL-6061的S-N曲線

由于鋁合金材料不表現(xiàn)處無(wú)限壽命特征，所以其壽命曲線的第二階段為非水平線，這樣得到的結(jié)果更接近實(shí)際。

2.4　載荷譜

在整車分析中，載荷譜由路試中六分力輪測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文從綜合路的載荷譜中截取10S的短波路載荷譜數(shù)據(jù)為例進(jìn)行疲勞分析。如圖：

圖8　短波路況下左前輪載荷譜

圖9　左前輪1方向載荷譜頻率分析

圖10　左前輪1方向載荷譜雨流分析

以左前輪1方向載荷譜數(shù)據(jù)為例，在Ncode中對(duì)載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜和雨流分析，可以看到載荷譜的頻率在 50HZ以下，雨流矩陣表明數(shù)據(jù)從小量程到大量程循環(huán)次數(shù)逐漸遞減，近似成高斯正態(tài)分布。從數(shù)據(jù)分析可以看出現(xiàn)有載荷譜滿足疲勞分析的要求。同時(shí)，由于載荷譜的應(yīng)力比不等于-1，所以在疲勞分析時(shí)采用較為保守的 Goodman方法來(lái)修正平均應(yīng)力對(duì)結(jié)果的影響。

在對(duì)整車進(jìn)行疲勞分析時(shí)，一般會(huì)通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件將輪心處的載荷譜轉(zhuǎn)換到白車身與懸架的連接點(diǎn)或者整車比較關(guān)注的位置處。但從文獻(xiàn)[4]知，懸架連接點(diǎn)的載荷和輪心處的載荷相比，幅值基本一致，只是有微小的時(shí)間延遲，這并不會(huì)對(duì)車身的疲勞產(chǎn)生顯著影響。所以，本文中，建立了圖2所示的簡(jiǎn)化懸架模型，模型中考慮了彈簧和橡膠襯套的作用，在2至25工況中，直接將單位載荷加載在對(duì)應(yīng)的輪心處。這種方法明顯簡(jiǎn)化了通用的整車疲勞分析步驟。

2.5　疲勞分析流程

在Ncode建立疲勞分析流程圖：

圖11　經(jīng)典疲勞分析流程圖

將以上各數(shù)據(jù)輸入該流程圖中，對(duì)整車疲勞分析。

2.6　結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，得到整車的壽命分布，可知，整車壽命較小的位置集中在整車前后副車架，如圖：

圖12　前后副車架壽命云圖分布

經(jīng)疲勞分析知整車壽命最低的位置為后副車架中吊耳與型材連接處，節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1281139，循環(huán)次數(shù)為2.454E6，對(duì)應(yīng)的壽命為6.8E3h。壽命較小的各點(diǎn)的信息如表：

表2　整車疲勞值較小的位置及壽命

3　結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)白車身進(jìn)行疲勞分析時(shí)，除了建立的整車的有限元模型外，還建立了簡(jiǎn)化的懸架模型，且模型中考慮了在靜力分析時(shí)懸架中彈簧和橡膠成套的作用，簡(jiǎn)化了整車疲勞分析的步驟；

經(jīng)過(guò)對(duì)整車的疲勞分析可以看出，白車身在短波路路況下，容易出現(xiàn)疲勞的位置為前后副車架、和車身上部與懸架連接的地方，尤其是結(jié)構(gòu)剛度過(guò)度不均勻處，這也正是工況1-25所示的應(yīng)力值較大的位置。且從分析結(jié)果中看出前幾個(gè)影響整車壽命的位置集中在某幾個(gè)點(diǎn)，如果對(duì)這前幾個(gè)位置進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)顯著提高整車在疲勞計(jì)算時(shí)的壽命。

[1] Miner M A, Calie S M. Cumulative damage in fatigue[J], J Applied Mechanics, 1945, 12: 159-164.

[2] 劉永臣,王國(guó)林,孫麗.基于實(shí)測(cè)載荷譜的副車架疲勞壽命估算方法[J].汽車技術(shù), 2014(04): 58-62.

[3] 姚衛(wèi)星. 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2003

[4] 沈磊,張守元,郁強(qiáng),張一京.輪心六分力作用下車身疲勞壽命分析與改進(jìn)[J]. 輕型汽車技術(shù), 2012(Z2): 17-21.