基于瞬態(tài)疲勞分析的汽車A柱上端開裂問題研究

王 璋，羅 燕，肖介平，吳學(xué)華，劉佳派 Wang Zhang，Luo Yan，Xiao Jieping，Wu Xuehua，Liu Jiapai

基于瞬態(tài)疲勞分析的汽車A柱上端開裂問題研究

王 璋1，羅 燕2，肖介平2，吳學(xué)華2，劉佳派2
Wang Zhang1，Luo Yan2，Xiao Jieping2，Wu Xuehua2，Liu Jiapai2

（1. 北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300；2. 北京北汽越野車研究院有限公司，北京 101300）

針對(duì)汽車A柱上端開裂問題，通過基于道路載荷譜的瞬態(tài)疲勞分析方法對(duì)車身進(jìn)行疲勞仿真分析，并與靜強(qiáng)度仿真分析進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明基于道路載荷的瞬態(tài)疲勞分析方法對(duì)開裂問題分析準(zhǔn)確性較高。對(duì)比改進(jìn)前、后汽車A柱上端仿真結(jié)果，二者分析趨勢(shì)一致，以疲勞分析方法為主、強(qiáng)度分析方法為輔進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)搭接面積、零件自身剛度、零件過渡圓滑度對(duì)整體結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的影響明顯，為今后車身立柱上端正向設(shè)計(jì)提供了參考。

疲勞分析；道路載荷譜；瞬態(tài)；開裂

0 引 言

汽車車身、底盤等系統(tǒng)零部件容易發(fā)生開裂問題，機(jī)械零件開裂直接影響汽車的可靠耐久性。汽車零件開裂問題按其開裂原因可分為靜強(qiáng)度問題、疲勞強(qiáng)度問題等多種類型；其中疲勞開裂是指長(zhǎng)期受到反復(fù)作用的載荷而發(fā)生開裂，在長(zhǎng)期、反復(fù)載荷的作用下，結(jié)構(gòu)某些薄弱部位會(huì)因?yàn)閾p傷累積產(chǎn)生裂紋，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，裂紋不斷擴(kuò)大，最終完全斷裂。汽車使用的零件多為高強(qiáng)度材料，其在某一次沖擊下而發(fā)生開裂的情況較少，大多數(shù)開裂問題屬于疲勞破壞。影響疲勞極限的因素有很多種，除了平均應(yīng)力外，還包括載荷形式、構(gòu)件尺寸、表面光潔度、表面處理、使用溫度及環(huán)境等[1]。汽車立柱如A、B、C、D柱是重要的結(jié)構(gòu)部件，因?yàn)槠囋O(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是擴(kuò)大車身光照部分總面積，所以必然會(huì)減小腰線以上支柱的截面，為加強(qiáng)支柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，除了采用閉口截面外，在風(fēng)窗支柱和車體前圍側(cè)板之間采用加強(qiáng)板，其上面與風(fēng)窗柱連接，下面與側(cè)板連接[2]。本文研究某非承載式越野車車身A柱上端開裂問題與結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度性能指標(biāo)的相關(guān)性。

1 問題分析

1.1 試驗(yàn)介紹

研究對(duì)象為進(jìn)行整車道路可靠耐久性試驗(yàn)的車輛，共4輛，編號(hào)為1#、2#、3#、4#，均為非承載式越野車。整車道路可靠耐久性試驗(yàn)持續(xù)2個(gè)月，總里程33 000 km，里程分配見表1。

表1 整車道路可靠耐久性試驗(yàn)里程分配 km

試驗(yàn)路況順序?yàn)楦攮h(huán)、山路、強(qiáng)化路、越野路，其中強(qiáng)化路包括窨井群路、減速坎路、鐵道路口、修復(fù)路、水泥破損路、鐵餅路、魚鱗坑、石塊路、卵石路、陡坡路、下坡（制動(dòng)）、扭曲路、搓板路、碎石連接路（轉(zhuǎn)彎），一個(gè)循環(huán)總長(zhǎng)度為6.62 km，各路面長(zhǎng)度見表2，采集一圈強(qiáng)化路時(shí)間為553.5 s；越野路一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)總長(zhǎng)度為7.5 km，采集一圈越野路時(shí)間為1 425 s。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

3#車在行駛至越野路127 km時(shí)，左、右側(cè)A柱上接頭發(fā)生開裂，開裂位置位于A柱外板上部拐角底邊焊點(diǎn)附近，呈斜線狀，長(zhǎng)度約8 cm，自下而上；4#車在行駛至越野路93 km時(shí)，左、右側(cè)A柱上接頭發(fā)生開裂，開裂位置位于A柱外板上部拐角底邊處，呈斜線狀，長(zhǎng)度約30 cm，自下而上，如圖1所示。

表2 強(qiáng)化各路面信息

圖1 A柱上接頭位置開裂示意圖

1.3 靜強(qiáng)度分析

對(duì)試驗(yàn)車輛A柱進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，結(jié)果見表3。

表3 靜強(qiáng)度分析結(jié)果 MPa

分析結(jié)果表明A柱上端左側(cè)最大應(yīng)力略超過材料的屈服極限，右側(cè)最大應(yīng)力未超過材料的屈服極限值；從靜強(qiáng)度角度判斷，A柱上端發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)不大。使用靜強(qiáng)度分析解決開裂問題的可信度不高，下文從疲勞仿真角度進(jìn)行分析。

2 疲勞仿真分析

2.1 疲勞分析方法

汽車零件的疲勞強(qiáng)度問題是汽車零件常出現(xiàn)的問題之一，有些零件不會(huì)使用一次之后發(fā)生破壞，是經(jīng)過長(zhǎng)期反復(fù)的載荷作用發(fā)生破壞，就是疲勞破壞。影響零件疲勞極限的因素有很多種，除了平均應(yīng)力外，還有許多因素的影響不容忽視，如載荷形式、構(gòu)件尺寸、表面光潔度、表面處理、使用溫度及環(huán)境等[3]。汽車零部件疲勞分析方法按結(jié)構(gòu)所受載荷及其動(dòng)態(tài)特性主要分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、隨機(jī)振動(dòng)疲勞等方法。靜態(tài)疲勞分析方法具有簡(jiǎn)便快捷、對(duì)硬件要求低等優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；動(dòng)態(tài)疲勞分析方法，其誤差較大[4]。汽車在真實(shí)路面試驗(yàn)時(shí)，路面載荷激勵(lì)的頻率對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不容忽視。車身部分零件由于固有頻率與路面激勵(lì)頻率或其他載荷頻率較近，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)力而引起破壞的情況屢見不鮮，瞬態(tài)疲勞分析方法充分考慮了動(dòng)態(tài)載荷的頻率與自身結(jié)構(gòu)模態(tài)特征，因此，結(jié)合實(shí)際道路載荷特性選擇瞬態(tài)疲勞仿真分析法對(duì)開裂問題進(jìn)行分析。

2.2 瞬態(tài)疲勞分析過程

2.2.1 獲取疲勞載荷

為保證試驗(yàn)結(jié)果不受可靠性試驗(yàn)結(jié)果的影響，在相同的試驗(yàn)場(chǎng)采用全新樣車進(jìn)行整車道路載荷采集試驗(yàn)。應(yīng)用虛擬迭代方法，通過FEMFAT-Lab軟件，將六分力信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)，同時(shí)利用ADAMS軟件建立動(dòng)力學(xué)模型，將迭代得到的位移信號(hào)施加到多體動(dòng)力學(xué)模型上，最終得到車身各關(guān)鍵連接點(diǎn)的道路載荷譜，如圖2所示。

圖2 六分力信號(hào)示意圖

2.2.2 獲取模態(tài)應(yīng)力

利用MSC Nastran軟件中SOL 103模塊進(jìn)行模態(tài)分析，使用帶內(nèi)飾的車身有限元模型（包括車身、部分內(nèi)外飾件、開閉件、玻璃、集中質(zhì)量點(diǎn)），在車身懸置點(diǎn)施加三方向單位激勵(lì)F、F、F，獲得模態(tài)應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 車身瞬態(tài)疲勞分析有限元模型

2.2.3 獲得模態(tài)因子

利用MSC Nastran軟件將模態(tài)應(yīng)力與時(shí)域載荷譜進(jìn)行疊加，獲得每個(gè)路況下對(duì)應(yīng)的模態(tài)因子。

2.2.4 計(jì)算疲勞損傷

利用nCode疲勞分析軟件將模態(tài)應(yīng)力與模態(tài)因子進(jìn)行疊加，獲得每段特征路面對(duì)應(yīng)的疲勞損傷，再根據(jù)Miner法則，將車身在每段特征路況下的損傷進(jìn)行疊加，最終得到整段可靠性試驗(yàn)路面的疲勞損傷，當(dāng)損傷達(dá)到1時(shí)，認(rèn)為材料發(fā)生疲勞破壞，如式（1）所示。

式中：為實(shí)際道路路況數(shù)，取值1,2,3,…；N為材料發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；n為實(shí)際道路發(fā)生的循環(huán)次數(shù)；為總的損傷。

2.3 疲勞分析結(jié)果

由于A柱左側(cè)已經(jīng)超過屈服極限，材料已發(fā)生塑性變形，在這種情況下，必須通過應(yīng)變-壽命法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，基于nCode軟件特有的材料經(jīng)驗(yàn)合成技術(shù)，通過材料疲勞試驗(yàn)測(cè)得不同應(yīng)變對(duì)應(yīng)壽命的曲線反映應(yīng)變與壽命的關(guān)系，分析結(jié)果見表4。

表4 基于E-N曲線瞬態(tài)疲勞分析結(jié)果

表4中損傷值是指該處材料在所有道路完成后損傷之和，等于或大于1表示材料已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞，小于1表示材料在安全范圍內(nèi)。車身A柱疲勞損傷值均超過1，表明材料已發(fā)生疲勞破壞，與試驗(yàn)結(jié)果吻合，如圖4所示，說明瞬態(tài)疲勞分析方法對(duì)試驗(yàn)開裂問題的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高。

通過道路載荷譜采集、多體動(dòng)力學(xué)分解得到車身A柱開裂位置全部載荷，并充分考慮載荷的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，對(duì)全部可能引起該處破壞的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，最終得到疲勞損傷，使用瞬態(tài)疲勞分析的結(jié)果能較好預(yù)測(cè)車身開裂問題。

圖4 車身瞬態(tài)疲勞分析結(jié)果示意圖

3 方案改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

A柱開裂位置的外板為單層板結(jié)構(gòu)，并與其他零件如側(cè)圍上邊梁及前風(fēng)窗內(nèi)板均無搭接，故此將前風(fēng)窗上橫梁連接板向下延長(zhǎng)，形成一個(gè)三方向延伸的結(jié)構(gòu)，并通過1個(gè)M6螺栓與A柱內(nèi)板連接，如圖5所示；A柱上端結(jié)構(gòu)單薄，在A柱上端增加加強(qiáng)板，其材料為HC220YD，厚度為1.5 mm，通過2個(gè)M6螺栓與A柱連接起來，如圖6所示。通過以上改進(jìn)，使得該處結(jié)構(gòu)剛度提升，同時(shí)可以有效傳遞載荷，避免應(yīng)力集中。

圖5 A柱上接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

圖6 A柱上接頭外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的車身進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果見表5。

表5 改進(jìn)前、后A柱上端仿真分析對(duì)比

從表5可以看出，A柱上端結(jié)構(gòu)改進(jìn)后疲勞損傷值接近于0，最大應(yīng)力低于材料屈服極限，疲勞分析結(jié)果與靜強(qiáng)度分析結(jié)果均滿足要求，改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案已進(jìn)行實(shí)車道路驗(yàn)證，順利通過。

4 結(jié) 論

針對(duì)汽車零件開裂問題，所選疲勞分析方法的預(yù)測(cè)性較好，通過建立實(shí)際道路載荷采集方法、載荷分解方法以及基于道路載荷譜的疲勞仿真分析方法，形成一套固定有效的疲勞仿真分析流程。由于道路載荷譜采集需要時(shí)間歷程長(zhǎng)，在實(shí)際工作中，必須快速識(shí)別結(jié)構(gòu)存在的強(qiáng)度問題，識(shí)別結(jié)構(gòu)高應(yīng)力位置最便捷的方法是靜強(qiáng)度分析，從靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況入手，分析結(jié)果體現(xiàn)了試驗(yàn)開裂位置存在應(yīng)力集中問題，該處結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，搭接面在此處斷開，進(jìn)行改進(jìn)后對(duì)比改進(jìn)前、后靜強(qiáng)度的仿真結(jié)果，改進(jìn)后消除了開裂位置的高應(yīng)力問題。

通過分析得出，不同形式的車身A柱上端橫截面結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)搭接面積、零件自身剛度和零件過渡圓滑度對(duì)整體結(jié)構(gòu)抵抗變形能力影響顯著，在今后的車身開發(fā)中，需要從結(jié)構(gòu)根源入手，避免結(jié)構(gòu)缺口、圓角處理不當(dāng)及剛度過度等不合理現(xiàn)象，為今后車身正向設(shè)計(jì)提供參考。

[1]陳傳堯. 疲勞與斷裂[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002：9-10.

[2]黃天澤，黃金陵. 汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：160-161.

[3]陳傳堯. 疲勞與斷裂[M]. 武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2002:9-10.

[4]張林波，柳楊，黃鵬程，等. 有限元疲勞分析法在汽車工程中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程，2006，15（S1）：195-197.

U467.3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.005

1002-4581（2020）05-0021-04

2020-08-06