1、車身疲勞壽命分析福建工程學院 車輛工程0702班 林文華摘要本文通過分析考察了車身結(jié)構(gòu)的整體剛度特性，而且確定了車身疲勞壽命的薄弱位置，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進提供理論參考依據(jù)。根據(jù)有限元疲勞分析的思路，對車身進行疲勞壽命分析。施加單位載荷得到車身載荷響應(yīng)；通過MatlabSimulink建模仿真得到路面位移載荷譜，并作為車輪懸架振動模型的輸入激勵，最后得到路面作用在車身上的位移載荷譜；然后導入SN曲線，分析結(jié)果顯示車身最低壽命滿足汽車場地試驗三萬公里標準。有限元技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，通過規(guī)范的力學建模以及邊界條件的設(shè)置，可以得到滿足工程需要的分析結(jié)果，有利于縮短開發(fā)周期，對產(chǎn)品設(shè)計改進都具有重要

2、的指導意義及應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：轎車車身，車身剛度，疲勞壽命The performance of integrative stiffness is examined and the fatigue life of body is obtained，which Call provide guidance for car designThe thesis contents are the following aspectsFatigue life prediction of the car is carded out based on fmite element methodUnit load di

3、splacement response，combining the simulated displacement load history,is used to compute the fatigue performance of the car bodyMatlab/ Simulink isapplied to simulate the load spectrum，which is used as the input signal of the tire-suspension modelThe response of the tire-suspension model is the disp

4、lacement spectrum loaded on the bodySN curve is importedThe minimal fatigue life is 32800 kilometers，which can satisfy the thirty thousand kilometers testNowadays，CAE technology has been playing an important part in the forepart design of new production，which can provide reliable results with exact

5、mechanical model and boundary conditionKey words：Car body；Body stiffness；Fatigue life1疲勞分析理論11疲勞壽命分析過程工程構(gòu)件所承受的載荷往往是多方向的復(fù)雜交變載荷，要準確預(yù)測各個部位的疲勞損傷就需要測量相應(yīng)的載荷歷程。在疲勞壽命分析時讀取各載荷方向一卜單位載荷的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，然后根據(jù)實際載荷工況將單位載荷響應(yīng)比例迭加得到疲勞分析所需的應(yīng)力應(yīng)變譜，根據(jù)不同疲勞準則的要求也可以將彈性應(yīng)力應(yīng)變歷程換算成彈塑性應(yīng)力應(yīng)變歷程，然后結(jié)合材料性能參數(shù)選擇合適的損傷模型進行疲勞壽命計算，整個分析過程如圖11所示。圖1-1疲

6、勞壽命計算流程12疲勞應(yīng)力譜合成有限元計算可以直接得到節(jié)點的各個應(yīng)力分量，也可以得到主應(yīng)力和當量應(yīng)力，用何種參量進行疲勞壽命估算取決于選用的損傷模型。用于疲勞壽命分析的節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變歷程一般是通過合成單位載荷響應(yīng)和實測載荷譜獲得的，對于簡單的恒幅或比例加載也可以直接提取工作載荷的結(jié)果響應(yīng)。(1)單軸載荷的應(yīng)力合成單位載荷響應(yīng)提供了外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變輸出和外載荷輸入之間的比例關(guān)系，載荷譜實際上提供了一個隨時間變化的縮放因子，將單位載荷響應(yīng)按照載荷歷程上各點數(shù)值大小進行比例縮放即可得到疲勞壽命分析的應(yīng)力應(yīng)變譜。在有限元計算時各單位載荷的結(jié)果響應(yīng)要單獨存放，以便于疲勞分析時選擇性提取。圖12示意了一

7、個承受單向載荷心)的零件，對應(yīng)單位載荷為P，用sf，表示單位載荷下節(jié)點的各個應(yīng)力分量。每個分量按式(11)同時進行應(yīng)力合成，即可得到所有節(jié)點的應(yīng)力歷程，然后采用循環(huán)計數(shù)法將復(fù)雜應(yīng)力歷程簡化為具有循環(huán)概念的簡單載荷，以便于進行疲勞分析。SP(f) (1-1)圖1-2單向載荷譜模型(2)多軸載荷的應(yīng)力合成當零部件受到多軸載荷時，各個載荷的變化可以是同相位、按比例的，也可以是非同相位、非比例的，作用部位也可能有所不同，所以要分別考慮各個載荷的節(jié)點響應(yīng)然后再進行合成。多軸載荷的疲勞應(yīng)力應(yīng)變歷程生成和單軸載荷相似。例如用P(f)和Q(t)表示兩個相互獨立的載荷譜，對應(yīng)的單位載荷為P，q，有限元計算得到p

8、，g作用下的應(yīng)力響應(yīng)s0和s0，然后分別按照載荷歷程P(f)和Q(f)進行比例迭加，最后得到所有節(jié)點隨時間變化的應(yīng)力譜s0(f)和s0(f)。最后將s；：，( 對應(yīng)應(yīng)力分量矢量相加即可得到載荷P(f)和Q(f)共同作用下的節(jié)點應(yīng)力歷程訂O)，如式(1-2)所示。（1-2)通常情況下零部件工作在彈性應(yīng)力狀態(tài)，當局部發(fā)生屈服時，一般采用近似修正的方法來獲得彈塑性狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。常用的修正方法有單軸或多軸的Neuber準則和Glink準則。13單軸疲勞分析準則對于單軸載荷，同一時刻的應(yīng)力和應(yīng)變相互對應(yīng)，因此應(yīng)力和應(yīng)變都可以作為疲勞損傷參量，在很多方面已經(jīng)取得比較成熟的理論。單軸載荷在有限元計算中體

9、現(xiàn)為每個節(jié)點的應(yīng)力分量只在某一固定的方向上隨時間變化，節(jié)點的主應(yīng)力方向不發(fā)生變化。當用SN曲線進行單軸疲勞分析時，平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響可以采用Goodman、Gerber-平均應(yīng)力修正方法分析。Goodman方法如式(13)所示，(13)Gerber平均應(yīng)力修正方法如式(1-4)所示，（1-4)21總結(jié)有限元技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計領(lǐng)域，其可靠性已經(jīng)得到實物試驗的驗證，只要模型和邊界條件準確就可以得到真實可信的計算結(jié)果，可以減少樣車試驗，節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費。本文通過對轎車車身結(jié)構(gòu)的分析和有限元疲勞壽命方法的研究，對該車身進行了剛度分析、模態(tài)分析和疲勞壽命分析?？偨Y(jié)論文主要完成了以下幾個方面

10、的工作。(1)在掌握有限元基本理論的基礎(chǔ)上，闡述了有限元技術(shù)在產(chǎn)品疲勞性能中的應(yīng)用；對基于有限元技術(shù)的疲勞壽命分析方法及載荷譜的生成進行了詳細的推理，采用數(shù)學語言對整個疲勞損傷載荷譜進行合成。(2)在車身有限元建模過程中，通過分析車身結(jié)構(gòu)主要部件力學特性，對車身各種特征進行相應(yīng)的簡化，采用合適的單元類型，控制模型規(guī)模和質(zhì)量，確保分析精度。然后根據(jù)車身在不同工況下的位移和載確“邊界條件，完成車身的剛度有限元分析，達到了多項剛度指標。(3)根據(jù)轎車的動態(tài)性能要求，對白車身進行模態(tài)分析，以得到車身的固有頻率和振型，并找出車身結(jié)構(gòu)在動態(tài)激勵時的薄弱環(huán)節(jié)，為進一步的動態(tài)響應(yīng)分析奠定了基礎(chǔ)。(4)車身疲勞

11、性能分析時，通過建立路面不平度模型得到輪胎受到的路面激勵載荷譜；建立輪胎懸架振動模型，以路面對輪胎的激勵作為輸入信號，得到路面作用在車身上的位移載荷譜；計算單位激勵下的車身動態(tài)響應(yīng)；生成材料的SN曲線。通過疲勞壽命分析得到各個部位的疲勞壽命云圖，并折算成工程實用的歷程結(jié)果，根據(jù)分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)改進建議。22展望車身結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中，用CAE工具進行建模與仿真是一個范圍很廣的研究課題，本文只占了其中的一小部分。由于課題時間和試驗條件等因素的限制，對課題中涉及到的部分問題在深度和廣度上都有待于繼續(xù)進行下去。(1)對整車應(yīng)該提出優(yōu)化建議，可以進行很多的優(yōu)化(針對具體情況可以

12、進行形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等)，從而提高車身的整體性能，同時也使車身更加經(jīng)濟合理化。(2)通過對車身的疲勞壽命分析，對于應(yīng)力較高的區(qū)域有待于進一步的網(wǎng)格細化，采用局部應(yīng)力應(yīng)變法作局部分析。(3)本文對車身進行了疲勞壽命的預(yù)測，可以直觀地判斷出車身的壽命薄弱位置，但是限于條件的限制，對其結(jié)果還缺乏與實驗相結(jié)合的分析驗證。參考文獻（1）馮國勝，楊紹普著車輛現(xiàn)代設(shè)計方法【M】.北京：科學出版社，20066（2）陳鑫轎車車身靜態(tài)剛度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究【D】吉林大學碩士研究生學位論文，20033（3）凌樹森可靠性理論及機械工程中的應(yīng)用【J】江蘇機械雜志專輯，1981（4）僑淑平，黃金陵，李卓森紅旗CA7220轎車白車身剛