疲勞分析技術在商用車駕駛室衍生開發中的應用

張瑞峰，宋旭建

(江鈴重型汽車有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

近年來，重型商用車市場有了長足的發展，不同的使用場景對車輛性能提出了越來越高的要求。商用車駕駛室是車輛的重要組成部分，是司乘人員工作和生活的區域，其結構直接關系到工作效率、人員的安全和健康，因此駕駛室研發變得越發重要。結合平臺通用化、成本控制等因素，駕駛室研發主要集中在基于成熟設計的衍生開發，包括空間尺寸優化和結構輕量化設計等。與此同時，國內大多商用車主機廠的駕駛室衍生開發設計驗證還主要依賴于汽車試驗場內的實車道路試驗，導致研發周期長、研發成本高。疲勞分析技術在商用車駕駛室衍生開發中的應用，能夠有效解決上述問題。采用原型駕駛室開發項目前期采集的路譜數據作為疲勞分析的輸入，通過疲勞計算確保駕駛室衍生開發的結構壽命滿足要求，有效保證結構的耐久性能，代替傳統的實車道路試驗驗證，可以快速支持性能開發，從而大幅縮短研發周期和節約研發成本，提升企業的競爭力。

1 疲勞分析技術

近年來，隨著計算機性能的大幅提升以及CAE商用軟件的普及應用，CAE技術在各行業研發體系中所占地位越發重要。疲勞分析技術是一門結合路譜數據采集、多體動力學載荷分解和有限元仿真的專業工程技術，被廣泛應用于汽車及機械行業中的耐久性能開發工作。

1.1 路譜采集

路譜采集是車輛疲勞分析計算的必備前提，通常按照整車耐久測試規范對試驗場典型路面如搓板路、比利時路等進行采集，獲得整車或系統部件在耐久試驗過程中的載荷歷程。試驗場典型路面搓板路、比利時路分別如圖1、圖2所示。

圖1 搓板路 圖2 比利時路

路譜采集通常是指車輛試驗過程中對關鍵部件的信號包括加速度、位移、應變及運行狀態信號(速度)等數據進行采集。采集的數據通常不能作為直接輸入進行疲勞分析，需要先進行載荷分解得到關鍵結構的載荷作為疲勞載荷輸入。

1.2 載荷分解

根據前期測試得到的底盤參數，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重量等，利用多體動力學仿真軟件ADAMS建立整車多體動力學模型。

載荷虛擬迭代原理簡述如下：

將整個多體模型看做一個系統，可用一個傳遞函數表示為：

F(s)=y(s)/u(s).

其中：y(s)、u(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。

則利用逆函數(F-1)可以由輸出反求得到輸入：

u0=F-1ym.

其中：u0為初始的驅動載荷；ym為試驗采集得到的路譜。

將u0施加給多體模型，計算得到所有輸出通道響應，包括迭代信號(記為y0)。將y0與ym比較，如果滿足條件，即相對損傷比在0.5～2范圍內，u0就是最終所需驅動載荷，可以用于獲得疲勞分析所需的連接點內力載荷；如果不滿足條件，則需要進行第1次迭代，通過下式計算得到u1：

u1=u0+F-1(ym-y0).

然后將u1施加給多體模型，得到第1次迭代輸出響應y1，將y1與ym比較，如果滿足上述條件，則迭代結束。如不滿足則需要進行第二次迭代。以此類推，可以通過下式計算，得到第n次迭代后的驅動載荷un：

un=un-1+F-1(ym-yn-1).

將滿足上述判定條件得到的最終驅動載荷un施加給多體模型，便可得到關鍵部件的疲勞載荷。

1.3 疲勞分析

構件的疲勞是個復雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預估構件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，采用CAE技術可以更快更精確地預估出構件的疲勞壽命分布，疲勞分析流程如圖3所示。

圖3 疲勞分析流程

通過有限元仿真軟件Nastran得到關注部件在單位載荷下的應力場分布，應用疲勞分析軟件Femfat結合部件材料的S-N曲線及載荷分解得到的疲勞載荷輸入，運用Miner線性累積損傷累積準則，計算得到關注部件的疲勞壽命分布。

Miner線性累積損傷準則表示如下：

其中：D為結構損傷值；ni為第i個應力幅水平下的循環數；Ni,f為第i個應力幅水平下的材料疲勞循環數；ni/Ni,f表示對應應力幅水平下的材料疲勞循環比。當D=1時，零件累積的損傷到達極限，試件理論上發生疲勞破壞。由于Miner準則形式簡單，并且在很多情況下與實驗結果有較高的符合度，所以是目前較為適用的疲勞壽命(到裂紋出現的疲勞)預測方法。

2 疲勞分析技術的應用

現就疲勞分析技術在國內某6x4T車型駕駛室衍生開發項目上的應用進行說明。項目要求對已開發完成的駕駛室進行空間尺寸調整，保持駕駛室高度不變，寬度由原設計2.3 m增加到2.5 m，同時對駕駛室后圍及頂蓋進行輕量化設計。

2.1 路譜采集

在駕駛室4個懸置安裝點處分別布置加速度及位移傳感器，以右后駕駛室懸置為例進行說明，加速度及位移傳感器布置安裝分別如圖4、圖5所示。

圖4 加速度傳感器安裝位置 圖5 位移傳感器安裝位置

按照實車耐久試驗規范進行路譜采集，傳感器信息匯總及路譜采集工況分別如表1、表2所示。

表1 傳感器信息匯總

表2 路譜采集工況

2.2 載荷分解

根據項目前期輸入的硬點坐標、部件質量、彈性元件參數信息，應用多體分析軟件ADAMS，建立駕駛室-懸置-車架動力學模型，進行靜平衡調試，檢查模型裝配的正確性，將迭代所需的通道參數進行歸零設置(用于與測試數據對比)，駕駛室多體動力學模型如圖6所示。

圖6 駕駛室多體動力學模型

應用Femfat_lab軟件進行疲勞載荷迭代，虛擬迭代通道信息統計如下：

輸入通道7個，分別為4個垂向位移激勵、2個側向位移激勵、1個縱向位移激勵。

輸出通道16個，分別為4個駕駛室懸置垂向位移響應、12個駕駛室加速度響應。

以懸置位移和駕駛室上懸置安裝點處的加速度為迭代目標，經過7次迭代后的各通道相對損傷比如圖7所示。由圖7可知，相對損傷比在一個較合理的范圍內(0.5～2)，滿足精度判定要求。

圖7 各通道相對損傷比

以左后懸置位移迭代結果為例進行說明，實車實測數據與仿真迭代結果對比如圖8所示。

圖8 位移迭代結果

隨意截取位移迭代結果25 s～32 s段進行局部放大，如圖9所示，兩組數據基本完全對應，重合度非常高，滿足精度要求。

圖9 位移迭代結果局部放大

將經過7次迭代滿足精度要求的驅動載荷,施加到駕駛室多體動力學模型，進行動力學仿真計算，進而得到駕駛室懸置點處的疲勞載荷。

2.3 疲勞分析

本文是在駕駛室CATIA三維模型的基礎上，利用有限元前處理軟件HyperMesh建立全內飾駕駛室有限元模型，應用Nastran求解器進行線性靜力分析，使用慣性釋放方法求解結構的應力場分布。模型各鈑金件采用2D殼單元模擬；焊點建模采用RBE3-BEAM-RBE3，疲勞計算模型中焊點采用BEAM單元，由疲勞軟件Femfat根據模型中焊點屬性文件自動識別，駕駛室有限元模型如圖10所示。

圖10 駕駛室有限元模型

計算疲勞S-N曲線由疲勞軟件根據材料的抗拉強度和屈服強度進行擬合，將得到的單位載荷應力場分布、材料S-N曲線、駕駛室疲勞載荷導入求解器進行計算，得到駕駛室的疲勞壽命分布，如圖11所示。

從圖11可知：衍生開發的新駕駛室損傷最大區域為A柱下段折彎區域，損傷達到0.12，低于目標損傷值1；同時駕駛室懸置安裝點、門框等高風險區域損傷水平與原狀態相當，滿足駕駛室耐久性能要求。

圖11 駕駛室疲勞壽命分析結果

基于原型駕駛室開發成功的經驗和在市場上的表現，通過運用疲勞分析技術計算，結果遠遠低于目標損傷值，綜合評估認為風險較低可控，可以通過小批量特定工況市場驗證來替代試驗場疲勞耐久驗證。后期通過持續跟蹤，該新開發的駕駛室未出現任何疲勞失效故障。對于駕駛室衍生開發，采用疲勞分析技術與傳統道路驗證方法相比，在數據設計階段可及時識別和規避結構設計風險，為后續驗證提供高的信心度，有效代替傳統的實車驗證試驗，從而節約研發成本，具有很高的應用價值。

3 結束語

本文提出了一種基于多體動力學和有限元法聯合仿真的商用車駕駛室疲勞分析技術方案。在商用車駕駛室衍生開發過程中，通過采集駕駛室耐久試驗路譜信號，運用多體動力學模型進行迭代提取駕駛室懸置安裝點的疲勞載荷歷程；采用有限元法分析單位載荷的應力場分布；運用S-N(應力-壽命)方法計算得到駕駛室的疲勞壽命分布，對駕駛室不滿足要求的區域進行優化和加強。分析結果表明：疲勞分析技術在商用車駕駛室衍生開發中的應用能夠有效保證結構的耐久性能，代替傳統的實車道路試驗驗證，大幅縮短研發周期,節約研發成本，提升企業的競爭力。