王 璋，羅 燕，肖介平，吳學華，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，吳學華2，劉佳派2
Wang Zhang1，Luo Yan2，Xiao Jieping2，Wu Xuehua2，Liu Jiapai2

（1. 北京汽車集團越野車有限公司，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)疲勞分析方法對車身進行疲勞仿真分析，并與靜強度仿真分析進行對比，結(jié)果表明基于道路載荷的瞬態(tài)疲勞分析方法對開裂問題分析準確性較高。對比改進前、后汽車A柱上端仿真結(jié)果，二者分析趨勢一致，以疲勞分析方法為主、強度分析方法為輔進行仿真，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計提供了參考。

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度問題、疲勞強度問題等多種類型；其中疲勞開裂是指長期受到反復作用的載荷而發(fā)生開裂，在長期、反復載荷的作用下，結(jié)構(gòu)某些薄弱部位會因為損傷累積產(chǎn)生裂紋，隨著使用時間的增長，裂紋不斷擴大，最終完全斷裂。汽車使用的零件多為高強度材料，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，因為汽車設計的發(fā)展趨勢是擴大車身光照部分總面積，所以必然會減小腰線以上支柱的截面，為加強支柱結(jié)構(gòu)強度，除了采用閉口截面外，在風窗支柱和車體前圍側(cè)板之間采用加強板，其上面與風窗柱連接，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)疲勞強度性能指標的相關性。

1 問題分析

1.1 試驗介紹

研究對象為進行整車道路可靠耐久性試驗的車輛，共4輛，編號為1#、2#、3#、4#，均為非承載式越野車。整車道路可靠耐久性試驗持續(xù)2個月，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里程分配 km

試驗路況順序為高環(huán)、山路、強化路、越野路，其中強化路包括窨井群路、減速坎路、鐵道路口、修復路、水泥破損路、鐵餅路、魚鱗坑、石塊路、卵石路、陡坡路、下坡（制動）、扭曲路、搓板路、碎石連接路（轉(zhuǎn)彎），一個循環(huán)總長度為6.62 km，各路面長度見表2，采集一圈強化路時間為553.5 s；越野路一個試驗循環(huán)總長度為7.5 km，采集一圈越野路時間為1 425 s。

1.2 試驗結(jié)果

3#車在行駛至越野路127 km時，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附近，呈斜線狀，長度約8 cm，自下而上；4#車在行駛至越野路93 km時，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，長度約30 cm，自下而上，如圖1所示。

表2 強化各路面信息

圖1 A柱上接頭位置開裂示意圖

1.3 靜強度分析

對試驗車輛A柱進行靜強度分析，結(jié)果見表3。

表3 靜強度分析結(jié)果 MPa

分析結(jié)果表明A柱上端左側(cè)最大應力略超過材料的屈服極限，右側(cè)最大應力未超過材料的屈服極限值；從靜強度角度判斷，A柱上端發(fā)生開裂的風險不大。使用靜強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

汽車零件的疲勞強度問題是汽車零件常出現(xiàn)的問題之一，有些零件不會使用一次之后發(fā)生破壞，是經(jīng)過長期反復的載荷作用發(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)所受載荷及其動態(tài)特性主要分為靜態(tài)、動態(tài)、隨機振動疲勞等方法。靜態(tài)疲勞分析方法具有簡便快捷、對硬件要求低等優(yōu)點，在汽車領域得到廣泛的應用；動態(tài)疲勞分析方法，其誤差較大[4]。汽車在真實路面試驗時，路面載荷激勵的頻率對其結(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頻率或其他載荷頻率較近，由于動態(tài)應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)合實際道路載荷特性選擇瞬態(tài)疲勞仿真分析法對開裂問題進行分析。

2.2 瞬態(tài)疲勞分析過程

2.2.1 獲取疲勞載荷

為保證試驗結(jié)果不受可靠性試驗結(jié)果的影響，在相同的試驗場采用全新樣車進行整車道路載荷采集試驗。應用虛擬迭代方法，通過FEMFAT-Lab軟件，將六分力信號轉(zhuǎn)化為位移信號，同時利用ADAMS軟件建立動力學模型，將迭代得到的位移信號施加到多體動力學模型上，最終得到車身各關鍵連接點的道路載荷譜，如圖2所示。

圖2 六分力信號示意圖

2.2.2 獲取模態(tài)應力

利用MSC Nastran軟件中SOL 103模塊進行模態(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），在車身懸置點施加三方向單位激勵F、F、F，獲得模態(tài)應力，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)應力與時域載荷譜進行疊加，獲得每個路況下對應的模態(tài)因子。

2.2.4 計算疲勞損傷

利用nCode疲勞分析軟件將模態(tài)應力與模態(tài)因子進行疊加，獲得每段特征路面對應的疲勞損傷，再根據(jù)Miner法則，將車身在每段特征路況下的損傷進行疊加，最終得到整段可靠性試驗路面的疲勞損傷，當損傷達到1時，認為材料發(fā)生疲勞破壞，如式（1）所示。

式中：為實際道路路況數(shù)，取值1,2,3,…；N為材料發(fā)生破壞時對應的循環(huán)次數(shù)；n為實際道路發(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，必須通過應變-壽命法對結(jié)構(gòu)進行疲勞分析，基于nCode軟件特有的材料經(jīng)驗合成技術，通過材料疲勞試驗測得不同應變對應壽命的曲線反映應變與壽命的關系，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，與試驗結(jié)果吻合，如圖4所示，說明瞬態(tài)疲勞分析方法對試驗開裂問題的預測準確度較高。

通過道路載荷譜采集、多體動力學分解得到車身A柱開裂位置全部載荷，并充分考慮載荷的動態(tài)效應，對全部可能引起該處破壞的應力進行計算，最終得到疲勞損傷，使用瞬態(tài)疲勞分析的結(jié)果能較好預測車身開裂問題。

圖4 車身瞬態(tài)疲勞分析結(jié)果示意圖

3 方案改進及驗證

3.1 改進方案

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)圍上邊梁及前風窗內(nèi)板均無搭接，故此將前風窗上橫梁連接板向下延長，形成一個三方向延伸的結(jié)構(gòu)，并通過1個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柱上端增加加強板，其材料為HC220YD，厚度為1.5 mm，通過2個M6螺栓與A柱連接起來，如圖6所示。通過以上改進，使得該處結(jié)構(gòu)剛度提升，同時可以有效傳遞載荷，避免應力集中。

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)果驗證

對改進后的車身進行仿真驗證，結(jié)果見表5。

表5 改進前、后A柱上端仿真分析對比

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

4 結(jié) 論

針對汽車零件開裂問題，所選疲勞分析方法的預測性較好，通過建立實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間歷程長，在實際工作中，必須快速識別結(jié)構(gòu)存在的強度問題，識別結(jié)構(gòu)高應力位置最便捷的方法是靜強度分析，從靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況入手，分析結(jié)果體現(xiàn)了試驗開裂位置存在應力集中問題，該處結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)，搭接面在此處斷開，進行改進后對比改進前、后靜強度的仿真結(jié)果，改進后消除了開裂位置的高應力問題。

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、圓角處理不當及剛度過度等不合理現(xiàn)象，為今后車身正向設計提供參考。

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

[2]黃天澤，黃金陵. 汽車車身結(jié)構(gòu)與設計[M]. 北京：機械工業(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用[J]. 計算機輔助工程，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