竇占峰，卞學(xué)良，郝博然

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

基于虛擬樣機(jī)的某商用車駕駛室疲勞壽命仿真分析

竇占峰，卞學(xué)良，郝博然

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

針對某商用車駕駛室疲勞壽命問題，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，將有限元分析與虛擬迭代結(jié)合起來，對駕駛室進(jìn)行疲勞壽命仿真分析。在建立駕駛室有限元模型的基礎(chǔ)上利用慣性釋放法得到激勵(lì)響應(yīng)，將車架模型導(dǎo)入到Adams中并轉(zhuǎn)換為柔性體，建立駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型及七通道激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)。對試驗(yàn)場路采信號(hào)處理后作為激勵(lì)輸入到模型中進(jìn)行虛擬迭代得到載荷譜。通過對駕駛室進(jìn)行疲勞壽命仿真，結(jié)果表明大多數(shù)仿真結(jié)果與路試結(jié)果吻合，因此在模型正確的前提下，此方法流程可用于汽車各結(jié)構(gòu)或零部件疲勞壽命分析中。

駕駛室模型；有限元分析；虛擬樣機(jī)；虛擬迭代；疲勞壽命

Abstract:To solve the problem of fatigue life of a commercial vehicle cab, based on virtual prototyping technology, finite element analysis combined with virtual iteration was used to analyze the fatigue life of a commercial vehicle cab. On the basis of establishing the finite element model of the cab, the inertial release method is used to obtain the excitation response.The frame model is imported into Adams and converted to a flexible body, then the cab-frame rigid-flexible coupling multi-body dynamics model and the seven-channel excitation test stand were established. The signal collected at the test site is processed and input as a stimulus into the model for virtual iteration to obtain the load spectrum. Through the fatigue life simulation of the cab, the results show that most of the simulation results are consistent with the results of road test,therefore, under the premise of the correct model, this method can be used in the structure of the car or parts fatigue life analysis.

Keywords: cab model; finite element analysis; virtual prototyping; virtual iteration; fatigue life

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-143-05

前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，各企業(yè)對于產(chǎn)品品質(zhì)的要求也越來越高。疲勞壽命作為衡量產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，逐漸被人們所重視[1-2]。對汽車結(jié)構(gòu)或者零部件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測的傳統(tǒng)方法是在汽車試驗(yàn)場進(jìn)行路試試驗(yàn)，而這種方法雖然可靠性高，但會(huì)消耗大量時(shí)間和財(cái)力[3-5]，因此亟需一種更高效的方法來進(jìn)行疲勞分析。

虛擬樣機(jī)技術(shù)基于試驗(yàn)場采集的路試信號(hào)，在Adams中建立汽車結(jié)構(gòu)或者零部件的多體動(dòng)力學(xué)模型，建立相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)或激勵(lì)，再結(jié)合虛擬迭代技術(shù)和有限元分析對汽車結(jié)構(gòu)或者零部件進(jìn)行疲勞壽命分析。這種方法使得開發(fā)周期變短、成本降低等優(yōu)點(diǎn)，所以逐漸被各企業(yè)所應(yīng)用[6]。

本文針對某企業(yè)商用車駕駛室疲勞開裂問題，對其進(jìn)行疲勞壽命分析，重點(diǎn)是建立駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型及虛擬迭代獲取載荷譜，并在此基礎(chǔ)上對駕駛室進(jìn)行疲勞壽命分析和預(yù)測，分析仿真結(jié)果中的疲勞開裂位置，并結(jié)合路試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分析試驗(yàn)與仿真的相符情況，證明此方法流程可適用于汽車結(jié)構(gòu)或者零部件的疲勞壽命分析。

1 駕駛室有限元建模

疲勞壽命分析的準(zhǔn)確性取決于各個(gè)模型與實(shí)際樣機(jī)的一致性，而駕駛室有限元模型則是建模的第一步。在建模過程中要確定整體結(jié)構(gòu)和零部件的連接關(guān)系，還要考慮實(shí)車中的內(nèi)飾、非金屬件和閉合件等。為使各零部件具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，本文對駕駛室的儀表盤、座椅、后視鏡等部件添加剛性連接并對模型進(jìn)行調(diào)試，使模型與實(shí)車相同的質(zhì)心位置、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量等參數(shù)相同。

1.1 模型簡化及幾何清理

在駕駛室上有很多細(xì)小結(jié)構(gòu)例如：倒角、圓角、凸臺(tái)及過渡區(qū)面等，將它們進(jìn)行一些處理后既能提高分析精度又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。直徑小于 5mm的孔直接忽略，直徑介于5mm~10mm之間的孔將其轉(zhuǎn)化為四邊形或者六邊形，對于橢圓孔可將其分為兩個(gè)半圓處理，中間部分作非特征處理，直徑大于10mm的孔，則需在圓周上布置6個(gè)以上節(jié)點(diǎn)。對于螺栓孔，在其圓周布置至少6個(gè)節(jié)點(diǎn)和一圈washer。對于圓角，當(dāng)弦長小于3mm時(shí)處理為直角，介于3mm~6mm時(shí)處理為一排網(wǎng)格，大于 6mm時(shí)處理為至少兩排網(wǎng)格。螺栓孔和圓角的處理方式如圖1-2所示。

圖1 螺栓孔處理

圖2 圓角處理

1.2 質(zhì)量控制及網(wǎng)格劃分

根據(jù)駕駛室的結(jié)構(gòu)特征，選取網(wǎng)格尺寸為8*8mm，對于局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜或應(yīng)力集中位置可適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格大小。網(wǎng)格扭曲度最優(yōu)值為0，長寬比最優(yōu)值為1，雅可比最優(yōu)值為1，三角形最大和最小內(nèi)角的最優(yōu)值為60°，四邊形最大和最小內(nèi)角的最優(yōu)值為90°。除此之外還要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，例如出現(xiàn)自由邊，則需合并周圍節(jié)點(diǎn)將其消除；網(wǎng)格法方向不一致則需將方向調(diào)整一致，如圖3-4所示。

圖3 網(wǎng)格自由邊

圖4 網(wǎng)格法方向不一致

1.3 材料特性輸入

本文商用車的駕駛室材料為鋼結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)為：彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7830kg/m3，鋼板厚度為0.8mm-2.5mm之間。

1.4 連接方式定義

采用 ACM 模型模擬焊點(diǎn)，焊點(diǎn)參數(shù)為：彈性模量為210GPa，密度為0，泊松比為0.3，直徑為6mm。焊縫采用Rbe2剛性連接，建模時(shí)將節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)對齊。螺栓采用也采用Rbe2剛性連接，且在周圍至少進(jìn)行一圈washer。粘膠連接采用粘合劑Adhesive模擬，參數(shù)為：彈性模量15,2MPa，密度為1.0e -9 t/mm3，泊松比為0.49。

表1 駕駛室部分內(nèi)飾項(xiàng)目表

駕駛室車身內(nèi)飾及模擬方法如表1所示。

建立后的駕駛室有限元模型如圖5所示。

圖5 駕駛室有限元模型

2 駕駛室-車架多體動(dòng)力學(xué)建模

2.1 生成半車架柔性體

為減少分析計(jì)算時(shí)間，采用含有輸入位置的半車架模擬車架結(jié)構(gòu)，將模型導(dǎo)入至Adams中，然后利用軟件的自動(dòng)柔化功能將剛體轉(zhuǎn)換為柔性體，如圖6所示。

圖6 半車架柔性體模型

2.2 懸置動(dòng)剛度及參數(shù)設(shè)置

懸置是整個(gè)模型中關(guān)鍵的力傳遞部件，懸置特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，兩者決定著整個(gè)模型的非線性度[7-8]。通過振動(dòng)臺(tái)分別對懸置進(jìn)行靜剛度和動(dòng)剛度測試。由于懸置的動(dòng)態(tài)特性與振動(dòng)頻率和幅值有關(guān)，因此，以正弦波為激勵(lì)，振幅A分別取0.2、0.6、1.0，動(dòng)態(tài)剛度和對應(yīng)阻尼通過單軸動(dòng)態(tài)測試得到，相應(yīng)的力-位移、剛度-頻率、阻尼-頻率曲線如圖7-8所示。

圖7 懸置動(dòng)態(tài)剛度特性

圖8 懸置動(dòng)態(tài)阻尼特性

2.3 駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

在Adams中利用質(zhì)點(diǎn)代替駕駛室，設(shè)置質(zhì)量為208.2kg，創(chuàng)建7通道液壓作動(dòng)器和柱體間的移動(dòng)副，在車架扭臂出創(chuàng)建襯套力并將試驗(yàn)得到剛度和和阻尼值，最后在液壓作動(dòng)器上建立驅(qū)動(dòng)，以便進(jìn)行迭代，如圖9所示。

圖9 駕駛室-車架剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

3 信號(hào)檢查及處理

由于得到路試信號(hào)存在諸如尖峰值、漂移和趨勢項(xiàng)等瑕疵，因此需要利用 FEMFET-LAB軟件對其進(jìn)行處理以免影響迭代。

3.1 異常信號(hào)檢查

在得到路試信號(hào)后首先要檢查是否存在異常信號(hào)，例如無信號(hào)、信號(hào)采樣不足、采樣分辨率不足等，如圖10所示，此時(shí)需檢查傳感器、者線路連接或采集系統(tǒng)是否存在問題。

圖10 無信號(hào)

3.2 信號(hào)后處理

（1）重采樣

在虛擬迭代過程中主要使用頻率為1~40Hz，一般設(shè)置采樣頻率大于2倍基頻，本文采用12倍基頻即480Hz。

（2）濾波

由于關(guān)注頻率為1~40Hz，所以將0~1Hz和大于40Hz的信號(hào)過濾掉。

（3）尖峰值、漂移和趨勢項(xiàng)處理

在信號(hào)采集過程中可能由于采集環(huán)境復(fù)雜多變或者傳感器溫度、濕度過高等因素引起的信號(hào)瑕疵，此時(shí)需用 Ncode進(jìn)行處理，尖峰值處理前后對比如圖11所示。

圖11 尖峰值處理前后對比

經(jīng)過以上處理過程后得到較為理想的懸置加速度信號(hào)，例如處理后的左前懸置下端Z向加速度比利時(shí)路信號(hào)如圖12所示。

圖12 左前懸置下端Z向加速度比利時(shí)路信號(hào)

4 虛擬迭代獲載荷譜

虛擬迭代的原理是將多體動(dòng)力學(xué)模型視為一個(gè)整體，通過粉紅噪聲驅(qū)動(dòng)模型得到傳遞函數(shù)，再求反傳遞函數(shù)，最后反求輸入[9]。先利用處理后的信號(hào)和反傳遞函數(shù)求得一組初始驅(qū)動(dòng)載荷，再利用驅(qū)動(dòng)載荷激勵(lì)多體模型得到響應(yīng)信號(hào)，將相應(yīng)信號(hào)與采集信號(hào)進(jìn)行對比，進(jìn)而修正參數(shù)，反復(fù)迭代至收斂[10]。修正公式為，式中為第n+1次迭代信號(hào)，為第n此迭代信號(hào)，為目標(biāo)信號(hào)，為第n次迭代響應(yīng)信號(hào)。迭代信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ热鐖D13所示。

圖13 信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

迭代后部分懸置載荷譜如圖14-15所示。

圖14 左前懸置載荷譜

圖15 右前懸置載荷譜

5 疲勞壽命仿真分析及對比

5.1 道路譜輸入

通過虛擬迭代得到前后四個(gè)懸置及兩個(gè)扭臂共 30個(gè)通道載荷譜，疲勞分析中只需保留懸置上端及扭臂共18個(gè)通道載荷譜。根據(jù)試驗(yàn)場測試標(biāo)準(zhǔn)，需要完成12000公里即1805圈測試，各路面歷程即參考車速如表2所示。

表2 道路里程及試驗(yàn)車速表

5.2 鈑金及焊點(diǎn)疲勞仿真分析

部分鈑金及焊點(diǎn)疲勞仿真危險(xiǎn)位置如圖16-18所示。

圖16 左前懸置安裝孔

圖17 右前懸置安裝孔

由圖16-17可知，仿真中，駕駛室左前和右前懸置安裝孔附近出現(xiàn)疲勞破壞損傷值分別為2.112、1.243、1.786、和1.727，意味著這些位置在未到設(shè)定歷程12000 km時(shí)已發(fā)生疲勞破壞，根據(jù)線性損傷累積原理，可預(yù)測左前、右前懸置安裝孔附近危險(xiǎn)位置分別在 5681.81km和 9654.06km、6718.92km、6948.46km時(shí)發(fā)生疲勞破壞。

圖18 左、右前懸置縱梁與加強(qiáng)板處焊點(diǎn)

由圖18可知，仿真中左、右前懸置縱梁與加強(qiáng)板處焊點(diǎn)在未到設(shè)定里程時(shí)發(fā)生疲勞破壞，損傷值分別為 4.273、2.386、1.513、1.259、1.372、5.692，預(yù)計(jì)發(fā)生破壞時(shí)的里程為2808.33 km、5029.33km、7931.26km、9531.37km、8746.35 km、2108.22km。

5.3 仿真對比分析

部分疲勞仿真與試驗(yàn)場路試試驗(yàn)結(jié)果對比如圖19-20所示。

圖19 駕駛室左前懸置仿真試驗(yàn)對比圖

圖20 駕駛室左前懸置焊點(diǎn)仿真試驗(yàn)對比圖

由圖19可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，疲勞開裂位置均在左前懸置安裝孔附近，此處缺口由于應(yīng)力集中容易開裂。由圖20可知左前懸置焊點(diǎn)的仿真與試驗(yàn)除722896處外較吻合，焊點(diǎn)周圍受力較大易開裂，但開裂點(diǎn)并不連續(xù)。

6 結(jié)論

由以上結(jié)果可知通過疲勞仿真得到的結(jié)果大部分與試驗(yàn)場路是結(jié)果相吻合，仿真中損傷值較大的地方在試驗(yàn)中基本都出現(xiàn)破壞，仿真中駕駛室個(gè)別位置和焊點(diǎn)未能在試驗(yàn)中開裂，原因可能是有限元模型和多剛體動(dòng)力學(xué)模型精度有待進(jìn)一步提高，其次試驗(yàn)車輛本身的設(shè)計(jì)和工藝問題也是出現(xiàn)差異的原因?？傮w來說，本試驗(yàn)仿真流程可用于現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)或零部件的疲勞壽命仿真預(yù)測，具有一定參考價(jià)值。

[1] 沈宏杰,周.汽車零部件道路模擬加載譜研究[J].汽車工程.2010,32(2):159-162,142.

[2] 杜中哲,朱平,何俊,等.基于有限元法的轎車車身結(jié)構(gòu)及焊點(diǎn)疲勞壽命分析[J].汽車工程,2006,28(10):944-947.

[3] 邵建,董益亮,肖攀,等.基于多體模型仿真的載荷譜虛擬迭代技術(shù)分析[J]重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué).2010,24(12) : 84 -87.

[4] Palmonella M,Friswell M I,Mottershead JE. Finite element models of spot welds instructural dynamics: Review and updating[月. Computers and Structures, 2005, 83:648-661.

[5] DAHIN J, HEYES P,FERMER M,et al. Analytical Methods for Durability in AutomotiveIndustry-Engineering Process,Past,Present and Future[R]. SAEPaper2001-01-4074.

[6] 熊光楞,李伯虎,柴旭東.虛擬樣機(jī)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2001,13(1): 114-117.

[7] 高晶,宋健,朱濤.隨機(jī)載荷作用下汽車驅(qū)動(dòng)橋殼疲勞壽命預(yù)估[J].機(jī)械強(qiáng)度.2008(6):982-987.

[8] DornW,Gomory R, Greenberg H. Automatic design of optimal structures[J].J.deMechanique, 1964. 3910: 25-52.

[8] 吳碧磊,秦民,李幼德,等.載貨汽車駕駛室疲勞壽命的敏感度分析[J].汽車工程.2007,29(12):1051-1054.

[9] 王良模,趙野,徐娟,袁劉凱,張湯贊.基于虛擬迭代技術(shù)的汽車?yán)戎Ъ芷诜治鯷J],江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(2):128-135.

[10] 汪隨風(fēng),武振江,楊建森.基于整車動(dòng)力學(xué)模型虛擬迭代仿真的轉(zhuǎn)向節(jié)載荷譜提取[J],重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào).2015.29(11):27-33.

Simulation analysis of fatigue life of a commercial vehicle cab based on virtual prototype

Dou Zhanfeng, Bian Xueliang, Hao Boran
（College of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300131）

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-143-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.049

竇占峰，碩士研究生，就讀于河北工業(yè)大學(xué)，研究方向汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。卞學(xué)良，教授，博士生導(dǎo)師，就職于河北工業(yè)大學(xué)，研究方向汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。