基于實測載荷譜的白車身疲勞壽命計算發(fā)表時間：2009-10-23朱濤林曉斌來源：Altair關(guān)鍵字：白車身虛擬疲勞分析道路載荷譜有限元網(wǎng)格劃分有限汽車白車身疲勞分析由于缺乏真實載荷譜的輸入而顯得沒有說服力，計算分析的結(jié)果往往與試車場或用戶使用時發(fā)生的失效沒有關(guān)聯(lián)，這樣導(dǎo)致了虛擬疲勞分析的強大作用無法發(fā)揮。本文通過六分力輪測試系統(tǒng)實測了某型乘用車在試車場的載荷譜數(shù)據(jù)，以此作為輸入，并綜合了多種CAE手段，包括有限元網(wǎng)格劃分、有限元分析、多體動力學(xué)分析和疲勞分析，對該乘用車的白車身在實測載荷譜作用下的疲勞壽命分布進行了計算分析，獲得了有價值的結(jié)果。同時給出了更符合真實工況的試驗與虛擬相結(jié)合的白車身一體化疲勞分析流程。1前言

汽車結(jié)構(gòu)疲勞的話題在當前各大整車制造企業(yè)越來越受到重視，幾乎每種新開發(fā)的車型都需要考察其疲勞耐久性能。以前傳統(tǒng)的方法，汽車企業(yè)對于新車型疲勞壽命的評估都是利用實車在各道路試車場進行路試[1]，該方式雖然是最直接且最準確的，但測試時間卻十分冗長且消耗人力與經(jīng)費甚巨，即使發(fā)現(xiàn)了問題往往也很難去修改。近年來計算機軟硬件的迅速開展，計算機輔助工程〔CAE〕分析技術(shù)在靜態(tài)、碰撞、振動噪音等領(lǐng)域均有了相當不錯的應(yīng)用成果，但疲勞耐久性分析需要綜合有限元應(yīng)力分析和動力學(xué)載荷分析等專業(yè)技術(shù)，仍需花費非常大的計算量，且計算的準確性由于沒有真實的道路載荷譜(RLD)作為計算輸入而缺乏說服力。

本文針對上述問題，基于在國內(nèi)汽車企業(yè)已經(jīng)開始成熟運用的六分力輪測試技術(shù)實測獲得的某乘用車在試車場的道路載荷譜數(shù)據(jù)[2]，以此作為輸入，驅(qū)動建立好的整車多剛體動力學(xué)仿真模型，獲取作用在白車身各連接點上的載荷譜，同時對白車身進行有限元應(yīng)力場分析。綜合上述結(jié)果，調(diào)用相應(yīng)的疲勞損傷模型對白車身的疲勞壽命進行了計算，從而建立起一套較為可行的更符合真實工況的車輛疲勞壽命分析技術(shù)流程。2某型乘用車試車場道路載荷譜采集2.1測試工況簡介

該試驗用乘用車的四個車輪均安裝六分力輪進行軸頭上的三向力〔Fx、Fy、Fz〕和三向力矩〔Mx、My、Mz〕的測試，如圖1所示。道路載荷譜采集在某試車場進行，該試車場特征路面如圖2示意。車輛滿載，測試工況為行駛一圈覆蓋試車場所有特征路面的耐久性循環(huán)。圖1安裝了六分力輪的左前輪圖2試車場特征路面示意圖2.2測試結(jié)果

測試共布置了24個通道，通過數(shù)據(jù)采集器記錄存儲下所有的載荷譜信號數(shù)據(jù)。如圖3所示為左前輪的六分力信號，共1720秒。圖3采集到的左前輪六分力信號3白車身疲勞壽命計算

一般結(jié)構(gòu)件在承受準靜態(tài)隨機載荷輸入下的疲勞壽命計算流程如圖4所示，可見輸入包括該結(jié)構(gòu)件在單位載荷下的應(yīng)力/應(yīng)變場結(jié)果、該結(jié)構(gòu)件承受的載荷譜以及該結(jié)構(gòu)件的材料疲勞性能參數(shù)，即可調(diào)用相應(yīng)的疲勞損傷模型進行該構(gòu)件疲勞壽命的計算，計算結(jié)果將給出該幾何結(jié)構(gòu)形式和材料的構(gòu)件在所承受的載荷譜作用下可能發(fā)生失效的危險部位和相應(yīng)疲勞壽命的大小。圖4結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算流程3.1整車多體動力學(xué)分析和載荷譜提取

顯然，對白車身的疲勞壽命分析需要提供作用在白車身各連接點處的載荷譜，這里采用半實物方法，在多體動力學(xué)軟件MSC.ADMAS平臺上對該整車建立多體動力學(xué)模型，如圖5所示。以上述實測獲得的四個車輪的六分力作為輸入，驅(qū)動建立好的整車多體動力學(xué)模型運行一定時間長度，即可提取出作用在白車身各連接點上相應(yīng)的力和力矩的時間歷程。如圖6示意，給出某一個連接點處的三向載荷譜。需要說明的是，由于整車多體動力學(xué)計算的限制，很難一次完成實測的1720秒時間長度的計算，同時出于考察各特征路面對車身結(jié)構(gòu)疲勞的影響程度大小的目的，將實測載荷譜按各特征路面情況進行了分割，這里給出的是石塊路面上的載荷譜，共40秒長度。圖5建立的整車多體動力學(xué)模型圖6在石塊路上提取的車身某連接點三向載荷譜3.2白車身有限元應(yīng)力場分析

白車身有限元網(wǎng)格劃分，靜強度有限元計算已經(jīng)是整車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)中應(yīng)用非常成熟的CAE技術(shù)。本文的分析是在有限元前后處理平臺AltairHyperMesh和有限元求解器MSC.Nastran中完成的，這里只給出前半車身的1/2對稱局部模型及其在上述連接點處所承受的垂向單位載荷作用下的應(yīng)力場分布結(jié)果，如圖7所示。圖7局部白車身模型及垂向單位載荷作用下的應(yīng)力場3.3白車身疲勞壽命計算

所要進行疲勞分析的模型中包含有多種不同材料牌號和不同厚度的板材，這里用局部應(yīng)變法(EN法)損傷計算模型來對白車身進行疲勞壽命的計算，如圖8所示給出其中一種主要材料的應(yīng)變-壽命曲線〔EN曲線〕。圖8材料應(yīng)變-壽命曲線

局部應(yīng)變壽命法〔E-N法〕是繼名義應(yīng)力壽命法〔S-N法〕之后，廣泛用于汽車結(jié)構(gòu)件疲勞壽命計算的方法，它能很有效的計入缺口、焊縫、應(yīng)力集中等現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部循環(huán)塑性變形效應(yīng)，該效應(yīng)即循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用式1表達。E-N法用冪函數(shù)形式表達為式2，也叫曼森-科芬方程。邁納線性損傷累積法那么如式3所示，基于此法那么結(jié)合循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和材料E-N曲線即可計算承受隨機載荷下的構(gòu)件疲勞壽命[3]。

以上述載荷譜、結(jié)構(gòu)應(yīng)力場結(jié)果和材料參數(shù)作為輸入，在專業(yè)疲勞分析軟件nCodeDesignLife平臺上即可對該局部白車身模型進行疲勞壽命的計算，給出結(jié)果如圖9所示?？梢娫摴r下的疲勞危險區(qū)域?qū)⒅饕性跍p振器支座處，提示需要在設(shè)計和工藝中對該部位引起重視。圖9局部白車身疲勞計算結(jié)果

計算結(jié)果還可輸出前5個危險區(qū)域的單元號和對應(yīng)的壽命結(jié)果，如表1所示。可見計算結(jié)果說明，最可能先發(fā)生失效的部位是22205號單元，其壽命值為輸入的那段載荷譜還能重復(fù)5.652e4次。表1前5個危險區(qū)域單元號和壽命結(jié)果4結(jié)論

隨著汽車產(chǎn)品競爭日趨劇烈，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求更加苛刻。如果在設(shè)計階段即對符合用戶使用工況下的車輛疲勞耐久性能進行分析優(yōu)化，及時發(fā)現(xiàn)問題并加以改良，顯然能大大提升車輛的品質(zhì)、降低后期道路試驗甚至用戶使用時發(fā)生失效而產(chǎn)生的保修本錢和聲譽損失。本文以某型乘用車的白車身為對象，通過實測獲取了作用在車輪上的真實工況下的載荷譜，再通過多體動力學(xué)計算分解得到作用在白車身上的載荷譜，結(jié)合有限元分析的應(yīng)力結(jié)果，即可對該結(jié)構(gòu)進行基于實測載荷下的疲勞壽命分析計算，在此根底上還可進行各種結(jié)構(gòu)、材料優(yōu)化以及改型前后疲勞性能比照等分析工作。這樣的整車疲勞性能研究思路才能很好的滿足上述需求，具有重要的工程意義。5參考文獻[1]林育正,毛慶平.建立整車疲勞壽命分析技術(shù)的程序方法[J].車輛研測資訊,2005,3：20~27.[2]編輯委員會.汽車工程手冊－試驗篇.北京：人民交通出版社，2001.679~680.[3]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1988.[4]林曉斌.機械產(chǎn)品的一體化抗疲勞設(shè)計[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2004,No.1-2：29~30.[5]DavidEnsor,ChrisCook,MarcBirties.OptimizingSimulat