基于虛擬載荷譜的車身疲勞預測研究*

鄭 軒，廖慧紅，張 俊，茍黎剛，郭川川，丁偉朋，彭正剛

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

車身耐久疲勞性能是當前所有整車廠車型開發(fā)過程中非常重要的一個性能指標。據(jù)統(tǒng)計，車身結構80%以上的失效是疲勞引起的[1]，因此在項目開發(fā)前期準確預測車身風險區(qū)域，對風險區(qū)域進行優(yōu)化是一項重要的工作，而準確的疲勞載荷則變得尤為關鍵。早期開發(fā)流程中，首先要選用一輛和開發(fā)要求底盤懸架、軸距長短相似的量產(chǎn)車，將其改制成一個用于采集載荷的騾車，利用采集信號的載荷進行整車校核，此方法周期長、費用高、載荷一致性較差，已經(jīng)被虛擬載荷所替代。

筆者聯(lián)合虛擬試驗場技術和有限元仿真方法對整車進行耐久分析，結合調查原因對失效位置進行復盤，并結合工藝因素仿真結果對失效原因進行排查。最后，對結構重新設計優(yōu)化，優(yōu)化后結果滿足整車耐久要求。

1 虛擬載荷場介紹

當前，利用虛擬載荷場(Virtual Proving Ground)技術流程提取整車載荷，可將傳統(tǒng)路譜采集的18周時間壓縮到3周左右，在工程上應用此方法可以減少樣車試制、縮短周期、降低成本、節(jié)省人力資源[2]。

雖然虛擬載荷在工程上應用有許多優(yōu)勢，但是作為項目開發(fā)一項重要的數(shù)據(jù)輸入，其載荷進度要有非常高精度的保障。要獲得標準的VPG載荷，需要獲得試驗場標準路面的掃描數(shù)據(jù)，如圖1所示，對標輪胎動態(tài)性能，測試零部件及彈性元件的力學曲線，調整整車動力學模型，對標仿真與試驗載荷重新修正動力學模型。

圖1 比利時路面特征掃描建模

整車廠要求整車滿足240 000 km耐久目標，實際上是用戶240 000 km累計損傷的等效加速過程，需要將用戶實際使用損傷轉接到試驗場強化路面上，實現(xiàn)損傷等效，周期縮短的效果。以鹽城試驗場為例，共有39條耐久路面，如圖2所示，常用的有比利時路、扭曲路、繩索路、井蓋路、原型坑洼路、濺水路、補丁路等，主機廠以這些耐久強化路為基礎，進行不同路面的循環(huán)配比，最后形成耐久試驗標準。

圖2 VPG典型路面與試驗路面圖示

在VPG中，將車身各連接點的三方向通道進行提載，如圖3所示，根據(jù)耐久規(guī)范，對不同路面的循環(huán)進行組合，如此就獲得了整車全壽命周期載荷譜。

圖3 虛擬試驗場提載

2 疲勞累計損傷理論

車輛在路面行駛過程中，每時每刻收到來自路面的不同大小的載荷，體現(xiàn)在零部件上就是出現(xiàn)動態(tài)應力，波動載荷引起的應力應變導致出現(xiàn)結構疲勞，這里載荷的波動稱為循環(huán)。

Miner提出得累計損傷方法是目前世界上最常用的線性累積損傷規(guī)則，它應用雨流循環(huán)計數(shù)法從時間關系曲線中獲取循環(huán)中的應力幅值與均值，累計損傷理論是經(jīng)過疲勞壽命試驗對疲勞破壞過程研究和分析而提出累計損傷規(guī)律，它揭示了每一次載荷循環(huán)造成的損傷之間的相互關系和按照什么樣的規(guī)律進行累計的[3]。

每個雨流計數(shù)循環(huán)在零部件中都會引發(fā)一定量的疲勞損傷，累加每一個雨流循環(huán)引發(fā)的損傷值，可以獲得整個時域載荷信號引起的總損傷。

一個應力幅為ΔS的應力循環(huán)所引起的損傷為：

(1)

n個應力幅為ΔS的循環(huán)周所引起的損傷為：

(2)

Ni個循環(huán)將產(chǎn)生的損傷為1，疲勞失效發(fā)生：

(3)

假設所有具有不同幅值的循環(huán)所累積的損傷值大于或等于1，那么失效發(fā)生！否則疲勞壽命為損傷值得倒數(shù)！則有：

“非遺”是社會文化資源的重要組成部分，也是社會文明進步的標尺。“非遺”傳承、保護和開發(fā)必須遵循客觀規(guī)律，不能無序傳承和破壞性開發(fā)。政府和相關部門要分類研究項目傳承保護的規(guī)律，做到分類布局、優(yōu)選開發(fā)，要做好頂層設計、有序使用，確保“非遺”生態(tài)運行平衡和生態(tài)循環(huán)暢達。

(4)

式中：D為總損傷；i為不同載荷對應應力水平；Ni為i級應力水平循環(huán)次數(shù)；Ni為i級應力對應得疲勞壽命。

由式(4)可知，失效發(fā)生。

3 疲勞仿真分析

當前針對整車疲勞仿真分析應用最廣泛的方法是準靜態(tài)疲勞仿真法，其主要分析流程如圖4所示。

圖4 準靜態(tài)疲勞仿真流程

第一步：載荷分解。

獲取動力學整車模型關鍵參數(shù)，如前軸重量、后軸重量、車身柔性模型、底盤柔性模型、底盤襯套剛度等參數(shù)。驅動動力學整車模型分別行駛耐久強化路面，獲取車身底盤連接點XYZ方向通道載荷，如圖5所示。

圖5 典型路面載荷示意

第二步：整車有限元建模、各通道單位載荷分析。

整車模型主要由白車身、內飾、外飾、附件及載荷配重組成，如圖6所示。在耐久分析中，焊點采用RBE3+HEXA+RBE3，螺栓采用RBE2+CBAR+RBE2模擬，CO2保護焊采用shell共節(jié)點方式模擬,此外分析時，需要將乘客和行李的重量在整車上用CONM2+RBE3單元配重，以保障仿真模型與實際車輛完全一致，整車重量誤差在5%以內。

圖6 整車有限元模型示意

對于連接及配重好的整車，如圖7所示，在車身和前副車架、發(fā)動機懸置、前后減震塔等17個安裝點分別加載XYZ方向單位載荷，共計51個載荷通道進行慣性釋放，獲得每個通道下單位載荷的應力分布。

圖7 單位載荷加載示意

第三步：在Ncode軟件中進行疲勞分析。

Ncode中針對疲勞有兩種分析方法，基于S-N曲線的名義應力法和基于E-N的局部應力應變法。其區(qū)別在于名義應力法適用于低應變、高周疲勞問題，局部應力應變法適用于高應變、低周疲勞問題。整車在強化耐久路面上出現(xiàn)的焊點和鈑金開裂問題是屬于低周疲勞問題，所以適用于E-N法進行分析[4]。

Ncode中應力疊加如圖8所示，首先獲取各通道單位載荷下的應力場，如圖中C1A和C2A，在Ncode軟件中乘以各通道時域載荷L1(t)和L2(t)得到各通道載荷作用下的局部應力響應δA(t)，對響應進行雨流統(tǒng)計，再根據(jù)Miner法則進行損傷累計疊加，獲取此處總損傷和壽命。

4 問題提出及復現(xiàn)

某新車型在鹽城耐久路試進行到80個循環(huán)(共計400個循環(huán))時出現(xiàn)拖曳臂安裝板鈑金和縫焊開裂問題，如圖9所示。開裂位置位于后扭力梁拖曳臂安裝點區(qū)域，此處主要承受整車X向和Y向載荷，是整車承載較大的位置。在路試之前的設計研發(fā)階段，已經(jīng)對該車型進行過疲勞分析，獲得此處的鈑金疲勞壽命351.2%和縫焊壽命1 030.2%，考慮到疲勞仿真精度的誤差，一般評價要求疲勞壽命大于200%壽命，所以從仿真角度該區(qū)域壽命滿足要求。

圖9 實車鈑金及焊縫開裂圖

對失效問題采用魚骨圖方法進行問題原因排查[5]，涉及到對開裂問題影響比較大。

原因主要有：制造工藝、仿真方法、試驗車異常、材料工藝，對其一一分解，如圖10所示。

圖10 失效原因分析魚骨圖

對上圖涉及到的因素重點排查，排查調查結果如圖11所示，開裂零件樣件在開裂位置區(qū)域，鈑金厚度有明顯降低，2.0 mm鈑金減薄到1.6 mm，而開裂的CO2連接區(qū)域焊縫長度較設計狀態(tài)左右各延長5 mm。

圖11 制造誤差及沖壓樣件示意

為復現(xiàn)失效現(xiàn)象，對仿真模型進行修正，來驗證沖壓工藝和制造工藝是否能造成疲勞失效。對開裂零件局部區(qū)域減薄，如圖12所示，局部減薄單元和本體單元共節(jié)點連接。開裂CO2焊縫長度與實車長度保持一致，以上變更作為實車驗證方案，分析結果統(tǒng)計如表1所列，鈑金壽命云圖如圖13所示，焊縫疲勞壽命如圖14所示。

圖12 方案示意圖

表1 試驗與仿真壽命統(tǒng)計 /%

圖13 原始狀態(tài)和實車狀態(tài)鈑金壽命

圖14 原始狀態(tài)和實車狀態(tài)焊縫壽命

5 問題改進及優(yōu)化

從方案驗證結果看，確定沖壓工藝問題是造成此耐久開裂現(xiàn)象的原因，但和沖壓人員溝通得知，通過改進沖壓無法改善此問題，因此需要對結構進行大的變動優(yōu)化，優(yōu)化后結構如圖15所示，優(yōu)化后結構在原開裂位置采用斜面支撐結構，沒有缺口且能夠提升拖曳臂安裝點的側向支撐。原CO2保護焊位置支架延伸，與側邊梁連接，同時提升X向和Y向剛度，優(yōu)化后結構完整光順，不存在沖壓減薄和裂紋缺陷。

圖15 優(yōu)化前后結構示意圖

按照之前仿真流程，對新優(yōu)化方案結構進行鈑金和焊縫分析，結果滿足要求，如圖16所示。第二輪實車驗證與仿真一致，沒有出現(xiàn)開裂問題。

圖16 優(yōu)化后鈑金及焊縫疲勞結果圖

6 結 語

基于以上失效案例進行復盤優(yōu)化，直至改進方案驗證完畢。試驗說明了基于虛擬載荷譜的整車疲勞分析結果和試驗非常吻合，在車型開發(fā)過程中完全可以正向指導設計開發(fā)，能夠規(guī)避絕大多數(shù)耐久問題。同時，對于壽命安全裕度不高的區(qū)域，要考核沖壓工藝和制造工藝等因素，以提前對其進行優(yōu)化提升，避免沖壓減薄、切邊毛刺等缺陷進一步降低局部區(qū)域壽命。

試驗證明結合虛擬載荷的整車耐久仿真分析技術能夠有效降低車型開發(fā)過程中試驗車數(shù)量、減少試驗輪次、縮短試驗開發(fā)周期，此技術具有非常重要的工程意義。