鄭　非,孫　濤,劉　斌,鄭松林

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 汽車工程系，上海 200093;2.上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438;

3. 機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

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承載式車身焊點(diǎn)疲勞壽命分析研究

鄭非1,3,孫濤1,3,劉斌2,鄭松林1,3

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 汽車工程系，上海 200093;2.上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心，上海 200438;

3. 機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

摘要:文中針對(duì)某承載式車身焊點(diǎn)結(jié)合疲勞壽命虛擬分析技術(shù)與強(qiáng)化耐久試驗(yàn)進(jìn)行了比較研究。根據(jù)疲勞壽命分析理論，采用經(jīng)模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了其精度及有效性的模型，結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)分析得到的載荷譜，對(duì)車身焊點(diǎn)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；并與強(qiáng)化疲勞耐久試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了造成車身焊點(diǎn)低壽命區(qū)域的原因并提出了改進(jìn)方案，從而有效解決了該車車身焊點(diǎn)疲勞壽命設(shè)計(jì)中存在的缺陷，為后續(xù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參照。

關(guān)鍵詞：車身焊點(diǎn)；模態(tài)試驗(yàn)；動(dòng)力學(xué)仿真；疲勞壽命；強(qiáng)化耐久試驗(yàn)

0　引　言

在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中，焊接是一項(xiàng)很關(guān)鍵的工藝，它不僅對(duì)車身的建造質(zhì)量有很大的影響，而且對(duì)提高生產(chǎn)率、降低成本、縮短制造周期都有很大的作用。焊接工時(shí)在整個(gè)車身制造四大工藝中占 30%～40%[1]。車身鈑金結(jié)構(gòu)由板材和型材利用電阻點(diǎn)焊方法連接而成，在循環(huán)動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷作用下，許多構(gòu)件上便會(huì)因動(dòng)態(tài)應(yīng)力而引起疲勞損傷并發(fā)生疲勞斷裂。車身大多數(shù)焊點(diǎn)通常只承受剪切力，焊點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和幾何結(jié)構(gòu)的形狀會(huì)導(dǎo)致焊核區(qū)域的應(yīng)力集中，從而引起焊點(diǎn)疲勞裂紋萌生，這種疲勞破壞會(huì)在很大程度上降低車輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能和增加車輛的噪聲[2]。因此，了解車身焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是非常重要的。

進(jìn)行一輪常規(guī)的焊點(diǎn)疲勞壽命試驗(yàn)需要耗時(shí)半年，從而發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，嚴(yán)重制約了新車開發(fā)進(jìn)程，如果問(wèn)題難以規(guī)避，重新設(shè)計(jì)并制造將帶來(lái)開發(fā)周期再次延長(zhǎng)的嚴(yán)重后果。與常規(guī)試驗(yàn)方式相比，運(yùn)用有限元法分析焊點(diǎn)疲勞壽命可以大幅縮短周期，與強(qiáng)化疲勞耐久性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行方案優(yōu)化改進(jìn)，可極大地縮短承載式車身焊點(diǎn)耐久性開發(fā)周期。

國(guó)外學(xué)者針對(duì)車輛零部件疲勞耐久性進(jìn)行了大量研究,積累了一整套從路面試驗(yàn)、理論分析到可靠性評(píng)價(jià)的研發(fā)流程和數(shù)據(jù)資料,并形成了成熟的規(guī)范體系[3，4]。相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命的研究工作起步較晚，研究的對(duì)象也大多限于主要零部件的疲勞壽命理論分析[5，6]。本文著重研究某承載式車身焊點(diǎn)有限元法與快速疲勞試驗(yàn)的相關(guān)性分析，從而提供解決設(shè)計(jì)開發(fā)初期車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)及試驗(yàn)等效性等問(wèn)題的思路。

1　車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

1.1　車身CAE模型的建立

白車身及焊點(diǎn)有限元分析模型，以HyperMesh作前處理、同時(shí)分析模型按整車滿載質(zhì)量計(jì)算，附加質(zhì)量用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、油箱、前門總成、中門總成、后背面總成及乘員等質(zhì)量使用剛性單元加載到相應(yīng)總成的安裝處，如圖1所示。

圖1　白車身CAE模型

1.2　車身模態(tài)試驗(yàn)

車身焊點(diǎn)的疲勞壽命分析是建立在車身有限元模型基礎(chǔ)上，車身焊點(diǎn)CAE模型能否有效地模擬實(shí)車鐵架模型各鈑金件之間的電阻點(diǎn)焊連接關(guān)系，取決于整體車身有限元模型的精度及其有效性。因此，完成車身有限元模型搭建之后有必要通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的可信度。本文主要通過(guò)白車身模態(tài)試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析來(lái)完成車身有限元模型的精度及有效性驗(yàn)證。

模態(tài)試驗(yàn)是指以測(cè)取被試系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)為目的所進(jìn)行的試驗(yàn)，一般情況下是對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行專門設(shè)置的激振試驗(yàn)，如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行參數(shù)識(shí)別所得的前六階固有頻率，如表1所示。

圖2　車身模態(tài)試驗(yàn)

表1　車身模態(tài)分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

比較有限元與試驗(yàn)的前六階模態(tài)結(jié)果，二者振型特點(diǎn)基本吻合，頻率相差在10%以內(nèi)，因此可以判定所建的車身有限元是正確可靠的，能足夠精確地描述該車身和焊點(diǎn)的主要結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，可用于車身焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)分析中。

1.3　強(qiáng)化路面的虛擬仿真

1.3.1疲勞載荷譜

汽車行駛中所受到的外部載荷是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)載荷，在這種載荷作用下，汽車的許多構(gòu)件上都產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力，引起疲勞損傷，其破壞形式是疲勞斷裂。受隨機(jī)載荷影響的汽車零件，在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算和壽命估算前，必須先確定載荷譜，包括載荷的大小、循環(huán)次數(shù)和排列順序，這是疲勞載荷譜的三個(gè)主要特征[7]。只有準(zhǔn)確的能反映實(shí)際情況的疲勞載荷譜才能估算零部件的使用壽命和進(jìn)行零部件疲勞可靠性分析，最終為設(shè)計(jì)開發(fā)性能優(yōu)良的產(chǎn)品提供依據(jù)。

1.3.2疲勞虛擬仿真載荷譜的獲取

ADAMS程序采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,

(1)

(2)

在ADAMS整車仿真模型中導(dǎo)入比利時(shí)路面[8]文件，并添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)間和步長(zhǎng)，對(duì)整車進(jìn)行仿真[9]，模擬出車輛以40 km/h的速度在比利時(shí)路面上行駛的狀態(tài)。仿真結(jié)束后，利用ADAMS后處理模塊功能，得出汽車行駛時(shí)承載式車身與懸架連接處載荷時(shí)間歷程，如圖3所示。

圖3 車身與前懸架連接處三向載荷譜

1.4　車身焊點(diǎn)疲勞壽命分析

在前面動(dòng)力學(xué)分析中已經(jīng)獲得車身的疲勞載荷[10]，而焊點(diǎn)材料為典型的碳素鋼結(jié)構(gòu)材料，彈性模量210 GPa，密度3.78×104 kg /m3，泊松比0.3。在比利時(shí)路面載荷的激勵(lì)下，車身焊點(diǎn)的壽命云圖包含了車身所有焊點(diǎn)的疲勞壽命(循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù))分布圖，紅色區(qū)域?yàn)槠趬勖^高的焊點(diǎn)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠趬勖^低的焊點(diǎn)。最短循環(huán)次數(shù)為452次，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)增加焊點(diǎn)或移動(dòng)焊點(diǎn)位置來(lái)調(diào)試分析結(jié)果。

圖4 車身焊點(diǎn)疲勞壽命分布

2　承載式車身強(qiáng)化耐久性試驗(yàn)

疲勞虛擬分析結(jié)束后，將進(jìn)行試驗(yàn)樣車的強(qiáng)化耐久試驗(yàn)[11]。實(shí)車道路試驗(yàn)的地點(diǎn)在某試驗(yàn)場(chǎng)的比利時(shí)路面，試驗(yàn)道路與試驗(yàn)用車如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)道路和試驗(yàn)樣車

依照《GB/T 12428-2005 客車裝載質(zhì)量計(jì)算方法》、《GB/T 12534-1990 汽車道路試驗(yàn)方法通則》和《GB 15082-2008 汽車用車速表》等法規(guī)進(jìn)行試驗(yàn)。強(qiáng)化路面整個(gè)循環(huán)實(shí)際里程為0.7 km，其中有效試驗(yàn)里程為0.65 km，總共進(jìn)行2 600個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)時(shí),車輛以40 km/h的車速在強(qiáng)化路面上行駛，在連續(xù)完成強(qiáng)化路面試驗(yàn)一次計(jì)為一循環(huán)。每天完成試驗(yàn)要求循環(huán)后，試驗(yàn)工程師需要記錄當(dāng)天行駛的試驗(yàn)里程數(shù)，記錄車輛所發(fā)生故障和問(wèn)題，填寫試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)試驗(yàn)車輛有最終的評(píng)估報(bào)告。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)

經(jīng)過(guò)強(qiáng)化路試第893循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)左右D柱附近焊點(diǎn)開裂。開裂圖片如圖6所示。

對(duì)路試車左右D柱附近焊點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)該處焊點(diǎn)所處位置為D柱骨架兩層鈑金之間的焊接點(diǎn)，焊點(diǎn)開裂形式是從根部開始出現(xiàn)開裂。這說(shuō)明了在強(qiáng)化路面下側(cè)圍蒙皮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，D柱失效焊點(diǎn)區(qū)域兩鈑金連接部分存在較高剪切應(yīng)力。查看上述有限元疲勞分析結(jié)果，在常規(guī)車身扭轉(zhuǎn)工況下，失效焊點(diǎn)壽命對(duì)數(shù)為3.9，如圖7(a)，即最短壽命為7 943次循環(huán)，合計(jì)5 560 km，與強(qiáng)化路試折合成常規(guī)道路的6 250 km出現(xiàn)開裂的情況十分接近[12]。焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)高，故采用兩種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案對(duì)比，方案一是取消失效焊點(diǎn)。區(qū)域焊點(diǎn)壽命(對(duì)數(shù)值)由3.9提升為4.7，如圖7(b)，即最短壽命為50 118次循環(huán)，合計(jì)35 082 km，焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)低。但車身后端開口模態(tài)降低0.36 Hz；扭轉(zhuǎn)工況下尾門框開口變形增加3%。方案二是失效焊點(diǎn)保留，在該處增加高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠。該區(qū)域焊點(diǎn)壽命提升到4.9，如圖6(c)，即最短壽命為79 432次循環(huán)，合計(jì)55 602 km，風(fēng)險(xiǎn)低于方案一。采取方案二跟蹤新一輪PAVE路試結(jié)果，該處焊點(diǎn)并未開裂。

圖6 焊點(diǎn)開裂

圖7 CAE分析與改進(jìn)

4　結(jié)　論

本文基于模態(tài)分析和多體動(dòng)力學(xué)分析的疲勞壽命分析方法， 預(yù)測(cè)出了承載式車身焊點(diǎn)的全壽命分布，由分析結(jié)果可知，在車身的后輪翼子板周圍、 D柱上

部及中門踏步處的疲勞壽命較短，因此需要對(duì)這些關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)合強(qiáng)化疲勞耐久試驗(yàn)，改進(jìn)優(yōu)化車身焊點(diǎn)分布,可以看出，文中運(yùn)用的疲勞壽命分析方法，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行初步預(yù)測(cè)和驗(yàn)證， 并為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，有著非常積極的意義。

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研制開發(fā)

Study of Fatigue Life of Unitized Body's Solder Joint

ZHENG Fei1,3, SUN Tao1,3, LIU Bin2， ZHENG Song-lin1,3

(1.School of Mechanical Engineering, Department of Automotive Engineering, Univ. of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai 200093, China; 2.SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center, Shanghai 200438, China;

3.Machinery Industry Key Laboratory for Mechanical Strength & Reliability Evaluation of Auto Chassis Components,

Shanghai 200093, China)

Abstract:This paper focuses on the correlation between durability experiments and virtual fatigue life analysis for a unitized body's solder joints of a light commercial vehicle. According to the theory of fatigue life analysis, fatigue life prediction of the body's solder joints is carried out adopting multi-body dynamics analysis and model verified by modal experiment. The prediction is then compared with the durability experiment results, which leads to causes of low life area in body's solder joints. And subsequently an improved design approach is proposed. The results show that the defects existing in fatigue life design of the vehicle body's solder joints are remedied and thereby the work can provide a reference for furture design and optimization.

Key words:body solder joint; modal test; dynamic simulation; fatigue life; durability test

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0007-03

作者簡(jiǎn)介：鄭非(1989-)，男，內(nèi)蒙古人，研究方向?yàn)檐囕v耐久性工程分析。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375313)。

收稿日期：2014-12-15 2014-12-11