載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究

王忠校閆鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究

王忠校閆鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

由于載貨汽車使用工況比較復(fù)雜，針對(duì)其駕駛室的靜態(tài)分析方法已不能滿足疲勞耐久性能要求，因此將基于真實(shí)路面譜的疲勞仿真方法引入駕駛室設(shè)計(jì)分析過程中。結(jié)合某載貨汽車駕駛室局部疲勞開裂案例，對(duì)路譜采集、信號(hào)處理、橡膠襯套特性分析、多體仿真、虛擬載荷迭代和疲勞壽命分析等各關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了介紹。通過疲勞仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，使該載貨汽車駕駛室局部開裂問題得到解決。

1 載貨汽車疲勞仿真方法介紹

載貨汽車駕駛室由薄鈑金件組成，又是系統(tǒng)總成的最終受力環(huán)節(jié)，其白車身和焊點(diǎn)很容易出現(xiàn)疲勞開裂問題，而設(shè)計(jì)前期的靜態(tài)CAE分析手段已很難校核結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，因此載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究對(duì)其性能開發(fā)具有十分重要的意義。

目前，載貨汽車疲勞仿真方法主要有兩種：全數(shù)字試驗(yàn)場(chǎng)方法，需要載貨汽車整車多體動(dòng)力學(xué)模型和一個(gè)數(shù)字化的虛擬試車場(chǎng)；混合路面方法，也叫等效路形法，需要駕駛室及懸置系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型和車架、駕駛室上的目標(biāo)參考點(diǎn)實(shí)測(cè)信號(hào)，目的是反求系統(tǒng)等效激勵(lì)。第一種方法由于需要一個(gè)“活動(dòng)”的動(dòng)力總成詳細(xì)動(dòng)態(tài)模型，因此建模更加困難，除合適的輪胎模型、底盤模型和駕駛員模型外，至少還需要一個(gè)數(shù)字化試車場(chǎng)模型。相比而言，第二種方法只需要測(cè)量車架及駕駛室上的加速度信號(hào)及懸置相對(duì)位移信號(hào)，并建立包含車架的駕駛室及懸置系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型，可以避開輪胎模型精度和路面輪廓采集試驗(yàn)復(fù)雜性的影響，同時(shí)結(jié)合樣車道路試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和多體模型仿真的高效性，利用疲勞等效原理，可以反求出施加在車架上的位移激勵(lì)來模擬駕駛室真實(shí)運(yùn)動(dòng)。

疲勞仿真方法對(duì)于載貨汽車駕駛室主要有以下兩種用途：

a.用于解決現(xiàn)有車型駕駛室在實(shí)車試驗(yàn)中的疲勞開裂問題。

可以用現(xiàn)有試驗(yàn)樣車采集真實(shí)的路面譜，并通過其仿真流程計(jì)算出實(shí)際開裂位置的疲勞損傷值。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以顯著降低其損傷量級(jí)，提高開裂位置的疲勞耐久壽命。

b.用于在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)其疲勞壽命。

在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的壽命設(shè)計(jì)，利用上一代車的路面譜，在制造樣車之前就對(duì)車身結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命進(jìn)行校核并修改設(shè)計(jì)方案，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，避免了由不合理設(shè)計(jì)引起的浪費(fèi)。

疲勞仿真方法是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的綜合性方法，包括道路載荷數(shù)據(jù)采集（RLDA）、多體虛擬仿真（MBS）、載荷虛擬迭代技術(shù)（LVIT）及多軸有限元疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)（FEA-FLP）等。圖1為基于疲勞仿真方法的載貨汽車駕駛室開裂問題解決方案具體技術(shù)路線。

2 疲勞開裂案例問題描述

某載貨汽車樣車在進(jìn)行強(qiáng)化路耐久測(cè)試約XX km左右時(shí)，兩臺(tái)樣車的駕駛室均出現(xiàn)前圍開裂、焊接邊撕裂問題。開裂初始位置在前圍圈梁開口上部拐角處，大變形產(chǎn)生的應(yīng)力使焊接翻邊處受反復(fù)擠壓，前圍橫梁、前圍內(nèi)板及中地板翻邊先撕裂，進(jìn)而向上傳遞，最終使前圍與風(fēng)窗下內(nèi)板搭接邊撕裂；產(chǎn)生最大變形處位于圈梁拐角的下邊緣，并且裂縫不是一條而是若干條，符合疲勞破壞特征。

在前期CAE分析中采用假設(shè)的極限工況，即后懸置固定約束，在前懸置處施加強(qiáng)制相對(duì)位移工況，用以模擬試驗(yàn)場(chǎng)耐久路的大扭曲工況，其前圍處應(yīng)力云圖如圖2所示，實(shí)車開裂位置的最大應(yīng)力均在200 MPa左右，低于其材料的屈服極限（240 MPa），證明在極限靜態(tài)工況下結(jié)構(gòu)并未發(fā)生屈曲破壞。同時(shí)兩臺(tái)樣車均是行駛了一定里程才發(fā)生破壞，更加證實(shí)此處結(jié)構(gòu)是在強(qiáng)化路耐久試驗(yàn)中各種激勵(lì)作用下發(fā)生的疲勞破壞，應(yīng)運(yùn)用疲勞問題解決方案對(duì)失效結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的疲勞仿真分析。

3 針對(duì)實(shí)際情況的疲勞仿真分析過程

3.1 路譜測(cè)量工作

路譜測(cè)量工作的主要目的是獲得一些關(guān)鍵點(diǎn)的路譜信號(hào)，并依此作為虛擬載荷迭代的目標(biāo)信號(hào)。本次路譜采集工作以發(fā)生開裂問題的載貨汽車樣車為目標(biāo)車型，對(duì)其在某試車場(chǎng)的3號(hào)強(qiáng)化路進(jìn)行測(cè)試，強(qiáng)化路的典型路段包括石塊路、卵石路、搓板路和扭曲路等。

試驗(yàn)車載荷狀態(tài)為滿載，駕駛室質(zhì)量為325 kg，包括駕駛室內(nèi)乘員3人（駕駛員位置1人，副駕駛位置1人，后排座位1人）和操作儀器、沙袋。根據(jù)規(guī)定的車速進(jìn)行試驗(yàn)，主要采集信號(hào)為懸置上（駕駛室）和懸置下（車架）的三向加速度信號(hào)和懸置相對(duì)位移信號(hào)，傳感器布置與典型信號(hào)如圖3所示。

3.2 橡膠懸置特性測(cè)試及動(dòng)態(tài)剛度阻尼的獲得

由于該款載貨汽車的前、后懸置均采用固定橡膠懸置布置形式，因此其懸置系統(tǒng)的剛度阻尼特性獲得至關(guān)重要，特別是動(dòng)態(tài)剛度及動(dòng)態(tài)阻尼，其不僅與頻率有關(guān)，還與運(yùn)動(dòng)幅值相關(guān)，直接決定了系統(tǒng)模型的非線性程度。在后續(xù)載貨汽車駕駛室懸置系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)建模中，懸置動(dòng)態(tài)特性參數(shù)作為輸入，可以充分反映駕駛室懸置系統(tǒng)在實(shí)際強(qiáng)化路行駛時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。

傳統(tǒng)的橡膠懸置靜剛度測(cè)試無法滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性要求，目前橡膠襯套動(dòng)態(tài)參數(shù)試驗(yàn)采用MTS振動(dòng)臺(tái)，只能輸出襯套不同方向下的靜態(tài)剛度和隨頻率變化的動(dòng)剛度（不同幅值），其動(dòng)剛度曲線值由該頻率下力—位移曲線峰值（兩個(gè)點(diǎn)）確定，并未考慮該頻率下遲滯回線形狀的影響，而遲滯回線形狀代表其能量損耗即動(dòng)態(tài)阻尼，如圖4所示。

為了獲得在不同幅值、不同頻率下擬合出的動(dòng)剛度曲線及阻尼曲線，需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)方案應(yīng)覆蓋一定范圍振幅和頻率，具體如表1所示。表中，NL S/D表示非線性動(dòng)態(tài)加載。正弦加載試驗(yàn)中的頻率值應(yīng)至少循環(huán)10次，以保證遲滯回線的穩(wěn)定性。

測(cè)試后的數(shù)據(jù)輸入到一個(gè)自制的MATLAB分析處理程序中，以擬合出可用的非線性剛度和阻尼曲線，最終獲得的橡膠懸置非線性曲線（以左、后懸置Z向?yàn)槔┤鐖D5所示。

表1 橡膠懸置試驗(yàn)表格

3.3 全內(nèi)飾車身建模及慣性釋放計(jì)算

車身疲勞壽命預(yù)測(cè)使用慣性釋放方法提供外力以平衡沒有約束的自由狀態(tài)車身，外力等效于車身結(jié)構(gòu)的慣性響應(yīng)。為了模擬真實(shí)情況，車身模型結(jié)構(gòu)應(yīng)具有正確質(zhì)量分布，因此提出了全內(nèi)飾車身結(jié)構(gòu)建模。

全內(nèi)飾車身模型，除白車身結(jié)構(gòu)之外，還包含剛性連接到車身上的車門、內(nèi)外飾及附件等結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和慣量信息。車輛總質(zhì)量、局部質(zhì)量分布及質(zhì)心位置應(yīng)該與試驗(yàn)車輛一致，以保證全內(nèi)飾車身模型與試驗(yàn)車輛的動(dòng)態(tài)效果一致，同時(shí)也要考慮試驗(yàn)時(shí)車內(nèi)乘員和壓艙物的質(zhì)量。

將全內(nèi)飾車身有限元模型的質(zhì)量結(jié)果與K&C試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模型質(zhì)量與試驗(yàn)值只相差1.5 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量結(jié)果誤差也在合理范圍內(nèi)，說明全內(nèi)飾車身建模的精度較高，其有限元模型可以作為疲勞仿真分析的輸入。

依據(jù)此全內(nèi)飾車身模型可以進(jìn)行慣性釋放計(jì)算，本項(xiàng)目使用MSC.Nastran求解器，僅考慮線性準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析。每個(gè)車身接口點(diǎn)各方向載荷分別定義一個(gè)單位載荷工況，計(jì)算出單位載荷下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，疲勞分析中要輸入車身外部時(shí)間歷程載荷來縮放此單位應(yīng)力分布結(jié)果。

3.4 多體動(dòng)力學(xué)建模

多體動(dòng)力學(xué)模型作為載荷預(yù)測(cè)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，反映了載貨汽車駕駛室懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，作為虛擬載荷迭代中的傳遞函數(shù)直接影響了施加在全內(nèi)飾車身模型上的載荷準(zhǔn)確度。

載貨汽車駕駛室懸置系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型建立是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如圖6所示，需要確定系統(tǒng)的硬點(diǎn)位置、部件連接關(guān)系、剛體質(zhì)量質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)以及橡膠懸置的線性或非線性特性參數(shù)，同時(shí)還要考慮實(shí)際路試時(shí)駕駛室內(nèi)成員儀器配重、車架的柔性化處理、驅(qū)動(dòng)位置及傳感器布置位置等問題。在模型建完后還需要對(duì)其進(jìn)行靜平衡測(cè)試及運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試以確保模型準(zhǔn)確性。

本文建立的多體動(dòng)力學(xué)模型由7部分組成，包括駕駛室、駕駛室內(nèi)配重（駕駛員及儀器）、橡膠懸置的剛度及阻尼特性曲線、各種連接關(guān)系（運(yùn)動(dòng)副）、柔性車架、作為迭代目標(biāo)的傳感器和虛擬驅(qū)動(dòng)。

3.5 虛擬載荷迭代

駕駛室疲勞分析時(shí)需要得知施加在駕駛室上的時(shí)間歷程載荷，但由于其無法測(cè)得，只能將其他實(shí)際測(cè)得的信號(hào)值（如駕駛室或車架上的加速度信號(hào)）作為迭代目標(biāo)，將多體模型作為傳遞函數(shù)，通過反復(fù)迭代，使響應(yīng)信號(hào)無限接近目標(biāo)期望信號(hào)，最終反算出加在車架上的近似位移驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而獲得施加在駕駛室上的時(shí)間歷程載荷即虛擬載荷迭代。

圖7為參考信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的虛擬載荷迭代結(jié)果對(duì)比，以魚鱗坑工況左前懸置處駕駛室上的Z向加速度信號(hào)為例，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，參考（目標(biāo)）信號(hào)與仿真響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域、頻域和程對(duì)計(jì)數(shù)上吻合度都比較理想。

通過以上對(duì)比可以認(rèn)為迭代模型精度較高，依此迭代出的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確，計(jì)算出的懸置接口點(diǎn)載荷真實(shí)可信。最終計(jì)算出的懸置接口點(diǎn)載荷如圖8所示（以魚鱗坑工況左前懸置XYZ3向力為例）。

3.6 疲勞壽命分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

疲勞壽命分析時(shí)需要慣性釋放單元應(yīng)力結(jié)果和懸置輸出時(shí)間歷程載荷疊加計(jì)算，同時(shí)需要輸入材料的特性曲線及修正參數(shù)，利用應(yīng)力或應(yīng)變壽命分析方法，得到車身結(jié)構(gòu)的損傷分布。本文的案例應(yīng)用應(yīng)變壽命分析方法，即ε—N法，如圖9所示，主要針對(duì)低周疲勞（102～105次循環(huán)）工況，應(yīng)力水平較高，其峰值應(yīng)力常高于材料的彈性極限，有明顯的宏觀塑性變形。ε-N法能針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件的缺口效應(yīng)及應(yīng)力集中影響所產(chǎn)生的局部循環(huán)塑性變形計(jì)算其疲勞損傷，主要表達(dá)式即Manson-Coffin方程為：

式中，εa為應(yīng)變幅值；σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；ε′f為疲勞塑性系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞塑性指數(shù)；Ni為各種應(yīng)變幅下的壽命。

金屬材料在低周疲勞初期，由于循環(huán)應(yīng)力作用，會(huì)出現(xiàn)循環(huán)硬化和循環(huán)軟化現(xiàn)象，對(duì)于該特性，有以下公式即Ramberg-Osgood方程表述：

式中，εa為應(yīng)變幅值；σa為應(yīng)力幅值；E為彈性模量；K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

一般情況下運(yùn)用Palmgren-Miner理論，即Miner線性疲勞累積損傷法則計(jì)算疲勞損傷：

式中，D為總的疲勞損傷；ni為某應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為該應(yīng)力水平下材料達(dá)到破壞的總循環(huán)次數(shù)；N為總疲勞壽命。

式（1）與式（2）相結(jié)合得到試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)材料曲線，根據(jù)Miner線性損傷累積法則與平均應(yīng)力修正即可計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

首先針對(duì)原駕駛室結(jié)構(gòu)不足進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)措施如下：

a.前圍加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

改善發(fā)動(dòng)機(jī)艙開口處主要承載梁即前圍加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，形成整體式加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，避免由于兩件搭接出現(xiàn)應(yīng)力集中，可提高前圍局部剛度，同時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)艙左側(cè)拐角半徑，盡量保證兩拐角位置強(qiáng)度一致，如圖10所示。

b.前圍內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過增加與前圍加強(qiáng)梁相對(duì)應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，可以加大地板發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)斷面，提高抗彎能力，同時(shí)保證加強(qiáng)梁與風(fēng)窗下橫梁和地板形成連續(xù)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，避免剛度突變。加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵連接部位采用螺栓固定，以提高連接強(qiáng)度，如圖11所示。

根據(jù)駕駛室原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，結(jié)果如圖12所示。

通過計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和疲勞循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化可得到其里程壽命，其原結(jié)構(gòu)開裂處的壽命與實(shí)際壽命比值為0.85，在疲勞標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)（0.5～2）。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的疲勞壽命為原結(jié)構(gòu)的250倍左右，疲勞強(qiáng)度得到了明顯增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的試制樣車已通過了累計(jì)12 000 km的強(qiáng)化路測(cè)試與臺(tái)架耐久測(cè)試，車身未出現(xiàn)任何疲勞開裂問題，證明針對(duì)載貨汽車駕駛室的疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)精度較高。

4 結(jié)束語

結(jié)合某載貨汽車駕駛室局部疲勞開裂的案例，對(duì)載貨汽車駕駛室的疲勞仿真方法進(jìn)行論述，對(duì)路譜采集、信號(hào)處理、橡膠襯套的特性分析、多體建模、虛擬載荷迭代和疲勞壽命分析等各關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)描述，最終針對(duì)疲勞計(jì)算結(jié)果采取了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使該款載貨汽車通過了道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)考驗(yàn)，滿足了其設(shè)計(jì)使用要求。充分證明，利用疲勞仿真方法完全可以解決因疲勞破壞造成的駕駛室開裂現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)早期駕駛室設(shè)計(jì)起到了很好的指導(dǎo)意義，即在樣車生產(chǎn)前就可以對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

通過對(duì)載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法的研究，建立起載貨汽車駕駛室及懸置系統(tǒng)疲勞仿真平臺(tái)，平臺(tái)中涵蓋了設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)、仿真、分析等多學(xué)科集成的閉環(huán)系統(tǒng)。隨著后續(xù)研究的深入，這套疲勞仿真平臺(tái)也有助于懸置系統(tǒng)及內(nèi)外飾附件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)駕駛室總成、內(nèi)外飾附件及懸置系統(tǒng)的性能合理匹配。

1徐剛.基于虛擬振動(dòng)臺(tái)的疲勞壽命預(yù)測(cè)研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（1）：97～100.

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9Kang D，Heo S and Kim H.Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method For VPG Simulation. SAE，2009-01-0814.

10Sawa N，Nimiya Y and Kubota Y.Fatigue Life Prediction on Rough Road Using Full Vehicle Co-simulation Model with Suspension Control.SAE，2010-01-0952.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Research on Durability Simulation Approach of Truck Cab

Wang Zhongxiao，Yan Xin，Guo Maolin，Xu Zhonghao，Jiang Di
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

As a result of complex service conditions of duty trucks，cab static analysis can not satisfy fatigue and durability requirement，therefore the durability simulation Approach based on real road spectrum is introduced to cab design analysis.Based on the local cracks of a truck cab，some key technical points including road spectrum data acquisition，signal processing，feature analysis of rubber bushing，multi-body simulation，virtual load iteration and fatigue life analysis，etc.，are introduced.By means of fatigue simulation and structural optimization，local cracks in the truck's cab have been avoided.

Truck,Cab,Fatigue simulation method,Virtual load iteration

載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法虛擬載荷迭代

U463.81

A

1000-3703（2014）07-0054-05