基于實(shí)測(cè)道路譜的車身疲勞耐久性能改進(jìn)

張澤俊，劉宗成，顏伏伍，王雪峰，馮廣冬

（東風(fēng)小康汽車有限公司汽車技術(shù)中心，重慶402247）

0 引言

面對(duì)日趨激烈的汽車市場(chǎng)，各大整車制造商不斷延長(zhǎng)整車質(zhì)保里程或年限來提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，這樣整車的疲勞耐久性能開發(fā)越來越受到重視。車身作為整車關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其耐久性能成為整車性能開發(fā)中的焦點(diǎn)之一［1］。車身是一切車身部件和底盤部件的安裝基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)和實(shí)際承受載荷的復(fù)雜多樣性，給解決車身疲勞失效問題帶來了極大的困難。一般是通過對(duì)樣車進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)和道路模擬試驗(yàn)來確保車輛達(dá)到耐久性能［2］，但該手段存在開發(fā)周期長(zhǎng)、資金投入大等問題。

某新開發(fā)SUV車型，在整車道路模擬試驗(yàn)中，左右車身后門框處均出現(xiàn)鈑金和焊點(diǎn)失效問題。通過試驗(yàn)場(chǎng)道路譜采集、建立多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行虛擬迭代并結(jié)合CAE疲勞分析技術(shù)，從仿真角度復(fù)現(xiàn)了車身疲勞失效問題，解決了車身開發(fā)過程中出現(xiàn)的疲勞失效問題，減少了開發(fā)成本及試驗(yàn)的盲目性，縮短了研發(fā)周期。

1 車身失效情況簡(jiǎn)介及技術(shù)研究路線

某SUV車型第一輪試制樣車在整車四通道可靠性道路模擬試驗(yàn)完成63%時(shí)，發(fā)現(xiàn)左右后門框位置出現(xiàn)鈑金開裂、焊點(diǎn)失效問題，如圖1所示。檢查發(fā)現(xiàn)裂紋斷面存在磨損痕跡，說明車身左右側(cè)后門框在試驗(yàn)小于63%時(shí)就出現(xiàn)了疲勞失效問題。意味著該SUV車身前期設(shè)計(jì)不能滿足疲勞耐久性能要求，存在一定的安全隱患，需要對(duì)車身門框開裂位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到指定的疲勞耐久性能。

圖1 車身門框失效

通過實(shí)車在試驗(yàn)場(chǎng)采集載荷譜，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行檢查，結(jié)合多體虛擬迭代技術(shù)和CAE分析技術(shù)再現(xiàn)物理試驗(yàn)疲勞失效點(diǎn)，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。其技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 車身失效改進(jìn)技術(shù)路線

2 路譜采集及虛擬迭代

2.1 采集工況簡(jiǎn)介

采集車輛使用第一輪試制樣車，在4個(gè)車輪上安裝WFT六分力傳感器，如圖3（a）所示，采集車輪六分力信號(hào)；在車輪轉(zhuǎn)向節(jié)輪心處安裝加速度傳感器，如圖3（b）所示，采集輪心加速度信號(hào)；在前后車輪Topmount處安裝加速度傳感器，采集車身減震器塔頂處加速度信號(hào)；在前后減震器彈簧上布置應(yīng)變計(jì)，測(cè)量前后彈簧應(yīng)變信號(hào)；并安裝GPS和陀螺儀，分別記錄車輛行駛軌跡、車速和車身姿態(tài)。

圖3 車輪六分力傳感器和輪心加速度傳感器

將樣車配重至滿載質(zhì)量狀態(tài)，依據(jù)路譜采集規(guī)范在某汽車試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量耐久試驗(yàn)路面 （搓板路、卵石路、車身扭曲路等），GPS記錄的車輛行駛軌跡如圖4所示。

圖4 采集車輛行駛軌跡

2.2 路譜采集結(jié)果及數(shù)據(jù)檢查

采集車輛布置傳感器共計(jì)75個(gè)通道，各通道信號(hào)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器記錄和存儲(chǔ)，每個(gè)樣本采集3次。如圖5所示，采集到的左后輪輪心的力和力矩。

圖5 采集到的左后輪輪心力和力矩

在制動(dòng)工況下，根據(jù)Fx和My的相互關(guān)系，可以判斷采集到的六分力數(shù)據(jù)的正確性。如圖6所示，左前輪在制動(dòng)工況下Fx和My呈線性相關(guān)，且斜率在0.35左右，與輪胎的滾動(dòng)半徑一致。

圖6 制動(dòng)力矩My和制動(dòng)力Fx關(guān)系

將采集到的4個(gè)車輪輪心Z向加速度做頻譜分析，如圖7所示，信號(hào)頻率段主要集中在50 Hz以下，與路面的激勵(lì)頻率一致，說明采集到的數(shù)據(jù)具備一定的有效性。

圖7 4個(gè)車輪輪心Z向加速度頻譜

2.3 多體虛擬迭代載荷分解

采用多體虛擬迭代的方法獲取車身各接附點(diǎn)的載荷，作為后續(xù)車身疲勞CAE分析的輸入。將試驗(yàn)場(chǎng)采集到的載荷譜經(jīng)過等效處理后，作為多體虛擬迭代的目標(biāo)信號(hào)，搭建與采集樣車狀態(tài)一致的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，作為虛擬迭代的基礎(chǔ)模型，如圖8所示。

圖8 整車多體動(dòng)力學(xué)模型

虛擬迭代原理如圖9所示，用白噪聲驅(qū)動(dòng)多體模型得到初始傳遞函數(shù)并求出反傳遞函數(shù)F-1，再根據(jù)試驗(yàn)采集的信號(hào)和反傳遞函數(shù)求得第一次迭代的驅(qū)動(dòng)信號(hào)D1，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)再次驅(qū)動(dòng)多體模型，可得到第一次的響應(yīng)X1，對(duì)比X1與目標(biāo)信號(hào)Xtarget，并修正公式 （1） 中的w，再迭代，直到滿足收斂條件（Xn與Xtarget相對(duì)損傷值介于0.5～2之間［3］） 終止迭代。

建立的多體動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)過5次迭代后，迭代信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的各通道相對(duì)損傷值范圍在0.5～2之間，滿足虛擬迭代精度要求。各次迭代收斂情況如圖10所示。

圖10 各次迭代收斂情況

通過最后一次迭代后，獲取車身各接附點(diǎn)的力和力矩。圖11所示為車身與后副車架連接左前接附點(diǎn)的力和力矩，獲取的各接附點(diǎn)的載荷譜作為車身疲勞耐久CAE分析的輸入。

圖11 車身與后副車架左前接附點(diǎn)力和力矩載荷譜

3 車身疲勞CAE分析及疲勞失效再現(xiàn)

3.1 車身疲勞CAE分析模型搭建

搭建車身TB有限元模型，五門一罩、油箱、備胎、天窗等采用集中質(zhì)量模擬，車身附件采用非結(jié)構(gòu)質(zhì)量NSM配重至鈑金件上。車身焊點(diǎn)采用剛性梁Bar單元模擬［4］，直徑為6 mm，梁?jiǎn)卧c車身鈑金件采用共節(jié)點(diǎn)方式連接。在車身18個(gè)接附點(diǎn)處加載六向單位載荷，共計(jì)108個(gè)通道，采用慣性釋放法計(jì)算得到疲勞計(jì)算所需要的白車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)和焊點(diǎn)單元力場(chǎng)。

3.2 車身疲勞損傷預(yù)測(cè)

車身焊點(diǎn)剛性梁?jiǎn)卧獋鬟f的力和力矩用來計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力［5］，基于計(jì)算的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)車身焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞損傷預(yù)測(cè)。焊點(diǎn)的材料采用 Spot_Nugget_Generic 和 Spot_Sheel_Generic［6］。采用FKM法修正平均應(yīng)力。

將車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)入疲勞分析軟件，基于名義應(yīng)力SN的方法，對(duì)車身進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估，其中平均應(yīng)力修正采用Goodman法。由于車身幾何形狀復(fù)雜且受到多軸疲勞載荷作用，故采用臨界平面法。臨界平面法計(jì)算原理為過某點(diǎn)取n個(gè)等夾角的平面，對(duì)每個(gè)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行等效組合，對(duì)每個(gè)平面的等效應(yīng)力計(jì)算損傷，然后取n個(gè)平面中最大損傷值為該點(diǎn)的損傷。

根據(jù)車身中不同材料牌號(hào)建立不同材料的SN曲線。SN曲線可以通過試驗(yàn)獲得，在缺少試驗(yàn)SN曲線時(shí)，可以根據(jù)材料的特性參數(shù)進(jìn)行擬合得到SN曲線。對(duì)于母材，可以通過輸入材料的抗拉極限UTS擬合得到材料應(yīng)力壽命SN曲線［7］，其擬合曲線如圖 12所示。圖中參數(shù) SRI1、b1和b2通過公式（2） — （5） 計(jì)算得到。

圖12 基于UTS擬合的SN曲線

式中：UTS為材料抗拉強(qiáng)度；S1為1 000次循環(huán)下的應(yīng)力幅值；S2為Nc1循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力幅值；SRI1為循環(huán)1次即失效時(shí)的應(yīng)力幅；b1和b2分別為SN曲線第一階段和第二階段的斜率；Nc1為SN曲線第一個(gè)拐點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)，對(duì)于普通鋼材材料Nc1一般取1×106。設(shè)置好疲勞分析參數(shù)后，在疲勞分析軟件中對(duì)車身焊點(diǎn)和鈑金進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，計(jì)算得到損傷結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯觯洪T框拐角處焊點(diǎn)的損傷均大于目標(biāo)值1，最大損傷達(dá)到5.2（經(jīng)驗(yàn)表明車身焊點(diǎn)損傷值高于1即存在失效風(fēng)險(xiǎn)）；門框鈑金的最大損傷為0.246（經(jīng)驗(yàn)表明鈑金處損傷值高于0.2即存在開裂風(fēng)險(xiǎn)）。分析結(jié)果表明：門框焊點(diǎn)、鈑金失效位置與道路模擬試驗(yàn)失效位置一致。

圖13 車身焊點(diǎn)和鈑金損傷計(jì)算結(jié)果

3.3 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

依據(jù)上述分析結(jié)果，延長(zhǎng)門檻梁加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，并增加焊點(diǎn)，增加門框局部剛度，車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意如圖14所示。

對(duì)改進(jìn)后的車身結(jié)構(gòu)重新計(jì)算疲勞損傷，如圖15所示。改進(jìn)后的車身疲勞失效點(diǎn)的損傷遠(yuǎn)低于目標(biāo)值，疲勞耐久性能得到顯著提高。在后續(xù)的可靠性試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)門框處的焊點(diǎn)和鈑金失效問題。

圖15 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)后損傷計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

以某白車身為研究對(duì)象，以實(shí)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜作為多體虛擬迭代的輸入，獲取車身各硬點(diǎn)載荷譜，并結(jié)合CAE疲勞損傷預(yù)測(cè)方法，復(fù)現(xiàn)了可靠耐久試驗(yàn)中車身疲勞失效問題。針對(duì)車身失效位置提出了改進(jìn)方案，改進(jìn)后的車身失效位置的疲勞損傷值顯著降低，并在后續(xù)的可靠耐久試驗(yàn)中未出現(xiàn)疲勞失效問題。實(shí)踐表明，通過該方法預(yù)測(cè)的疲勞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與物理樣車試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)比較吻合。該方法可用于車身開發(fā)過程中實(shí)際疲勞失效問題的改進(jìn)，也可用于產(chǎn)品開發(fā)階段車身的疲勞損傷預(yù)測(cè)，以此減少試驗(yàn)驗(yàn)證的盲目性，節(jié)約開發(fā)成本。