白車身疲勞耐久仿真分析

楊勁飛，陸雪華，梁琴桂

（1.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000；2.上海雙杰科技有限公司，上海 201804）

引言

在汽車設(shè)計(jì)中，白車身強(qiáng)度、疲勞壽命都是評價結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性的重要標(biāo)準(zhǔn)，白車身靜態(tài)強(qiáng)度仿真計(jì)算在開發(fā)前期能較快將結(jié)構(gòu)高應(yīng)力風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行暴露，但在汽車開發(fā)過程中往往存在準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度無法直接預(yù)測的開裂現(xiàn)象，此時使用疲勞耐久仿真手段進(jìn)行前期預(yù)測及評估更為必要，車身結(jié)構(gòu)80%以上的失效是疲勞引起的，為此對白車身結(jié)構(gòu)提出疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析十分重要[1]。

傳統(tǒng)的汽車疲勞耐久性評價一般是通過可靠性試驗(yàn)進(jìn)行，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于疲勞耐久仿真軟件壽命預(yù)測及道路試驗(yàn)驗(yàn)證的方法受到廣大汽車企業(yè)的認(rèn)可[2]。本次案例將結(jié)合相關(guān)的疲勞理論，并根據(jù)車型出現(xiàn)的實(shí)際問題對整車進(jìn)行建模、疲勞仿真計(jì)算、計(jì)算結(jié)果合理性評估，最后根據(jù)問題原因制定相關(guān)的補(bǔ)救措施，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 疲勞累計(jì)損傷理論

Miner法則是較早提出的對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞耐久性能評價的方法。在汽車開發(fā)過程中，疲勞耐久壽命計(jì)算是較為重要的性能仿真驗(yàn)證階段。為了得到更為準(zhǔn)確的疲勞壽命計(jì)算值，在疲勞壽命仿真計(jì)算前需要對載荷進(jìn)行特定的處理，目前較多情況下，對于疲勞載荷的處理方法都是在較早提出的Miner法則線性損傷積累上進(jìn)行，根據(jù)該損傷法則的本質(zhì)思路，我們可以得到以下的情形：零件在外界作用力循環(huán)作用下，零件吸收能量達(dá)到最大值產(chǎn)生疲勞開裂，若試樣加載歷史所產(chǎn)生的應(yīng)力水平為 σ1，σ2，…σi，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命相應(yīng)為N1，N2，…Ni，各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)相應(yīng)為n1，n2，…ni[3]。則Miner線性損傷表達(dá)式為：

式中：D為總的損傷量；l為變幅載荷的應(yīng)力水平等級；ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

由于在現(xiàn)實(shí)情況中，零件受到外力作用大部分都為交變循環(huán)的載荷情況較多，受到橫幅載荷作用的情況較少；不管零件基于何種形式受到外界力作用產(chǎn)生破壞，用Miner法則線性損傷累計(jì)來進(jìn)行評估，都可以對零件疲勞耐久壽命進(jìn)行合理評估。

2 問題提出

某企業(yè)研發(fā)某款微型客車，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，樣車在海南汽車試驗(yàn)場不同路面上進(jìn)行了4 萬km 耐久性道路測試，樣車行駛里程和主要路面類型見表1。

表1 行駛里程和主要試驗(yàn)道路（單位Km）

路試過程中，檢查發(fā)現(xiàn)車身后部的后尾梁處左、右兩側(cè)各有兩個焊點(diǎn)開裂，裂紋長度25mm如下圖1：

圖1 路試車開裂位置

從經(jīng)驗(yàn)上判斷，車身尾門框區(qū)域在整車工況作用下造成的扭曲變形，是應(yīng)力集中的常見位置，車身較為薄弱位置常因應(yīng)力集中及載荷循環(huán)作用發(fā)生不滿足可靠性設(shè)計(jì)的問題。為此對尋找開裂位置進(jìn)行開裂根本原因，并根據(jù)具體因素制定針對性解決措施十分必要。

汽車車身結(jié)構(gòu)在道路行駛過程中，通常是受交替變化的載荷作用，這種交變載荷對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，往往會引起一系列疲勞強(qiáng)度問題[4]。汽車車身結(jié)構(gòu)前期設(shè)計(jì)的不合理性以及外界載荷工況作用的惡劣性，綜合兩者影響是零件發(fā)生疲勞破壞的關(guān)鍵原因。因此，汽車開發(fā)過程為滿足疲勞耐久性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，保證其能滿足設(shè)計(jì)者及用戶使用的可靠性要求，對車身進(jìn)行疲勞耐久仿真預(yù)測及疲勞壽命設(shè)計(jì)是保證項(xiàng)目順利開發(fā)的重要保證。

3 整車有限元模型仿真驗(yàn)證

Hypermsh是較為常用的網(wǎng)格建模軟件，能夠快速根據(jù)幾何形狀劃分零件網(wǎng)格，并使用軟件自帶的連接模擬方式實(shí)現(xiàn)各車身總成搭接，完成白車身網(wǎng)格模型建立。根據(jù)仿真標(biāo)準(zhǔn)，白車身網(wǎng)格尺寸大小為10mm，總共節(jié)點(diǎn)683126，單元650252個，初步對白車身主要性能進(jìn)行計(jì)算，并嚴(yán)格要求白車身模態(tài)、彎曲剛度性能、扭轉(zhuǎn)剛度性能的仿真數(shù)值與實(shí)際樣車的測試數(shù)據(jù)誤差范圍需要控制在 4%以內(nèi)，是白車身網(wǎng)格模型合理性的保證。以下為白車身主要性能指標(biāo)的試驗(yàn)值及仿真值對比見表2。

表2 白車身主要性能指標(biāo)試驗(yàn)及仿真對比

4 車身疲勞疲勞耐久壽命仿真分析

對整車進(jìn)行疲勞耐久壽命仿真計(jì)算需要幾個關(guān)鍵步驟：動態(tài)載荷處理、材料疲勞曲線、結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真結(jié)果。

載荷處理：車輛在試驗(yàn)場路試前，需要對其輪心安裝 6分力信號傳感器，對每種不同路面信號進(jìn)行采集，根據(jù)路試試驗(yàn)場道路分類，有比利時路、扭曲路、搓板路等多種不同路面，對不同路面信號統(tǒng)一采集后，在特定軟件中進(jìn)行信號處理、載荷分解，將路試信號轉(zhuǎn)換為適合疲勞耐久仿真應(yīng)用的時間里程載荷。

材料疲勞曲線：零件的壽命取決于材料的力學(xué)性能與外界施加的應(yīng)力水平，每種不同材料都有其特定的力學(xué)特性，零件材料強(qiáng)度等級越高，受到的應(yīng)力水平越低，其壽命就越長，這種外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞壽命之間的關(guān)系曲線稱為S-N曲線[5]。疲勞耐久仿真計(jì)算，必須對車身每種零件材料進(jìn)行明確定義，以使整體設(shè)置與實(shí)際情況更加接近，減少設(shè)置不當(dāng)引起的誤差。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果：白車身應(yīng)力分析結(jié)果是疲勞分析的基礎(chǔ)條件，在車身與底盤連接的關(guān)鍵硬點(diǎn)位置，對整車關(guān)鍵硬點(diǎn)加載單位載荷進(jìn)行計(jì)算，得到單位作用力力下的有限元應(yīng)力結(jié)果，從而關(guān)聯(lián)疲勞動態(tài)載荷進(jìn)行結(jié)果疊加計(jì)算損傷[6]。

nCode軟件包含了較為強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫，本身包含的疲勞材料曲線基本可以滿足用戶計(jì)算使用，在某些特定情況下，可以根據(jù)材料抗拉極限值及其他相關(guān)參數(shù)擬合用戶所需要的疲勞材料曲線，本文使用該軟件進(jìn)行疲勞耐久仿真計(jì)算。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，后尾梁損傷最大值2.53，且最大損傷位置與樣車路試開裂位置是同一個位置，仿真計(jì)算結(jié)果云圖如圖2：

圖2 開裂位置疲勞總損傷

從仿真結(jié)果看，路試車尾梁零件疲勞損傷總和大于 1，存在較大風(fēng)險疲勞開裂，所以對尾梁局部區(qū)域應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足疲勞耐久可靠性要求。

5 優(yōu)化措施

零件損傷較高，可更改局部結(jié)構(gòu)達(dá)到改善局部受力目的，可以通過局部加強(qiáng)、更改零件結(jié)構(gòu)、調(diào)整整車結(jié)構(gòu)框架更改傳力路徑等方式來進(jìn)行優(yōu)化。本次提出幾點(diǎn)優(yōu)化方案，方案1：整體加厚尾梁厚度，由原1.0mm厚度增加到1.2mm；方案2：增加L型加強(qiáng)板，并增加L型板兩個面的焊點(diǎn)數(shù)量；方案3：取消開裂焊點(diǎn)位置內(nèi)部搭接的小零件。

圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施及疲勞仿真總損傷值

結(jié)合車型開發(fā)成本、更改空間等因素考慮，對3種更改方案進(jìn)行前期評估。方案1整體尾梁加厚會導(dǎo)致材料增加，成本增加過多；方案3取消開裂位置零件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判會導(dǎo)致尾門扭轉(zhuǎn)剛度性能下降；方案2則可在不增加較多材料成本的同時，不會導(dǎo)致尾門剛度性能降低，同時能夠局部加強(qiáng)尾梁結(jié)構(gòu)，綜合多種因素，在此擬定嘗試使用方案2進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在次疲勞耐久仿真計(jì)算。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后疲勞分分析，原開裂位置損傷最大值為0.2，總損傷值在目標(biāo)范圍內(nèi)，滿足疲勞耐久性能，結(jié)果如圖3。

優(yōu)化方案采用后，經(jīng)過第二輪路試，車輛完成規(guī)定4萬公里試驗(yàn)里程，該位置無開裂現(xiàn)象。

6 結(jié)論

使用CAE疲勞耐久仿真軟件，可以直接對白車身關(guān)鍵位置疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果對結(jié)構(gòu)薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)使其滿足疲勞耐久性能要求。本文通過車型開發(fā)案例，記述疲勞耐久仿真預(yù)測方法在該車型成功運(yùn)用，縮短了為解決問題尋找原因的時間，并為后期驗(yàn)證提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)，從綜合方面縮短了開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，本次方法可為后續(xù)其他車型開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒思路。