張瑞峰，宋旭建

(江鈴重型汽車有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

近年來，重型商用車市場(chǎng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，不同的使用場(chǎng)景對(duì)車輛性能提出了越來越高的要求。商用車駕駛室是車輛的重要組成部分，是司乘人員工作和生活的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到工作效率、人員的安全和健康，因此駕駛室研發(fā)變得越發(fā)重要。結(jié)合平臺(tái)通用化、成本控制等因素，駕駛室研發(fā)主要集中在基于成熟設(shè)計(jì)的衍生開發(fā)，包括空間尺寸優(yōu)化和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)等。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)大多商用車主機(jī)廠的駕駛室衍生開發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證還主要依賴于汽車試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的實(shí)車道路試驗(yàn)，導(dǎo)致研發(fā)周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高。疲勞分析技術(shù)在商用車駕駛室衍生開發(fā)中的應(yīng)用，能夠有效解決上述問題。采用原型駕駛室開發(fā)項(xiàng)目前期采集的路譜數(shù)據(jù)作為疲勞分析的輸入，通過疲勞計(jì)算確保駕駛室衍生開發(fā)的結(jié)構(gòu)壽命滿足要求，有效保證結(jié)構(gòu)的耐久性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，可以快速支持性能開發(fā)，從而大幅縮短研發(fā)周期和節(jié)約研發(fā)成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 疲勞分析技術(shù)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提升以及CAE商用軟件的普及應(yīng)用，CAE技術(shù)在各行業(yè)研發(fā)體系中所占地位越發(fā)重要。疲勞分析技術(shù)是一門結(jié)合路譜數(shù)據(jù)采集、多體動(dòng)力學(xué)載荷分解和有限元仿真的專業(yè)工程技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于汽車及機(jī)械行業(yè)中的耐久性能開發(fā)工作。

1.1 路譜采集

路譜采集是車輛疲勞分析計(jì)算的必備前提，通常按照整車耐久測(cè)試規(guī)范對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)典型路面如搓板路、比利時(shí)路等進(jìn)行采集，獲得整車或系統(tǒng)部件在耐久試驗(yàn)過程中的載荷歷程。試驗(yàn)場(chǎng)典型路面搓板路、比利時(shí)路分別如圖1、圖2所示。

圖1 搓板路 圖2 比利時(shí)路

路譜采集通常是指車輛試驗(yàn)過程中對(duì)關(guān)鍵部件的信號(hào)包括加速度、位移、應(yīng)變及運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)(速度)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集的數(shù)據(jù)通常不能作為直接輸入進(jìn)行疲勞分析，需要先進(jìn)行載荷分解得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的載荷作為疲勞載荷輸入。

1.2 載荷分解

根據(jù)前期測(cè)試得到的底盤參數(shù)，包括整車軸荷參數(shù)、硬點(diǎn)坐標(biāo)、車輪定位參數(shù)、彈性阻尼元件特性和零部件重量等，利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型。

載荷虛擬迭代原理簡(jiǎn)述如下：

將整個(gè)多體模型看做一個(gè)系統(tǒng)，可用一個(gè)傳遞函數(shù)表示為：

F(s)=y(s)/u(s).

其中：y(s)、u(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。

則利用逆函數(shù)(F-1)可以由輸出反求得到輸入：

u0=F-1ym.

其中：u0為初始的驅(qū)動(dòng)載荷；ym為試驗(yàn)采集得到的路譜。

將u0施加給多體模型，計(jì)算得到所有輸出通道響應(yīng)，包括迭代信號(hào)(記為y0)。將y0與ym比較，如果滿足條件，即相對(duì)損傷比在0.5～2范圍內(nèi)，u0就是最終所需驅(qū)動(dòng)載荷，可以用于獲得疲勞分析所需的連接點(diǎn)內(nèi)力載荷；如果不滿足條件，則需要進(jìn)行第1次迭代，通過下式計(jì)算得到u1：

u1=u0+F-1(ym-y0).

然后將u1施加給多體模型，得到第1次迭代輸出響應(yīng)y1，將y1與ym比較，如果滿足上述條件，則迭代結(jié)束。如不滿足則需要進(jìn)行第二次迭代。以此類推，可以通過下式計(jì)算，得到第n次迭代后的驅(qū)動(dòng)載荷un：

un=un-1+F-1(ym-yn-1).

將滿足上述判定條件得到的最終驅(qū)動(dòng)載荷un施加給多體模型，便可得到關(guān)鍵部件的疲勞載荷。

1.3 疲勞分析

構(gòu)件的疲勞是個(gè)復(fù)雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預(yù)估構(gòu)件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，采用CAE技術(shù)可以更快更精確地預(yù)估出構(gòu)件的疲勞壽命分布，疲勞分析流程如圖3所示。

圖3 疲勞分析流程

通過有限元仿真軟件Nastran得到關(guān)注部件在單位載荷下的應(yīng)力場(chǎng)分布，應(yīng)用疲勞分析軟件Femfat結(jié)合部件材料的S-N曲線及載荷分解得到的疲勞載荷輸入，運(yùn)用Miner線性累積損傷累積準(zhǔn)則，計(jì)算得到關(guān)注部件的疲勞壽命分布。

Miner線性累積損傷準(zhǔn)則表示如下：

其中：D為結(jié)構(gòu)損傷值；ni為第i個(gè)應(yīng)力幅水平下的循環(huán)數(shù)；Ni,f為第i個(gè)應(yīng)力幅水平下的材料疲勞循環(huán)數(shù)；ni/Ni,f表示對(duì)應(yīng)應(yīng)力幅水平下的材料疲勞循環(huán)比。當(dāng)D=1時(shí)，零件累積的損傷到達(dá)極限，試件理論上發(fā)生疲勞破壞。由于Miner準(zhǔn)則形式簡(jiǎn)單，并且在很多情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的符合度，所以是目前較為適用的疲勞壽命(到裂紋出現(xiàn)的疲勞)預(yù)測(cè)方法。

2 疲勞分析技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)就疲勞分析技術(shù)在國(guó)內(nèi)某6x4T車型駕駛室衍生開發(fā)項(xiàng)目上的應(yīng)用進(jìn)行說明。項(xiàng)目要求對(duì)已開發(fā)完成的駕駛室進(jìn)行空間尺寸調(diào)整，保持駕駛室高度不變，寬度由原設(shè)計(jì)2.3 m增加到2.5 m，同時(shí)對(duì)駕駛室后圍及頂蓋進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 路譜采集

在駕駛室4個(gè)懸置安裝點(diǎn)處分別布置加速度及位移傳感器，以右后駕駛室懸置為例進(jìn)行說明，加速度及位移傳感器布置安裝分別如圖4、圖5所示。

圖4 加速度傳感器安裝位置 圖5 位移傳感器安裝位置

按照實(shí)車耐久試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行路譜采集，傳感器信息匯總及路譜采集工況分別如表1、表2所示。

表1 傳感器信息匯總

表2 路譜采集工況

2.2 載荷分解

根據(jù)項(xiàng)目前期輸入的硬點(diǎn)坐標(biāo)、部件質(zhì)量、彈性元件參數(shù)信息，應(yīng)用多體分析軟件ADAMS，建立駕駛室-懸置-車架動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行靜平衡調(diào)試，檢查模型裝配的正確性，將迭代所需的通道參數(shù)進(jìn)行歸零設(shè)置(用于與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比)，駕駛室多體動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 駕駛室多體動(dòng)力學(xué)模型

應(yīng)用Femfat_lab軟件進(jìn)行疲勞載荷迭代，虛擬迭代通道信息統(tǒng)計(jì)如下：

輸入通道7個(gè)，分別為4個(gè)垂向位移激勵(lì)、2個(gè)側(cè)向位移激勵(lì)、1個(gè)縱向位移激勵(lì)。

輸出通道16個(gè)，分別為4個(gè)駕駛室懸置垂向位移響應(yīng)、12個(gè)駕駛室加速度響應(yīng)。

以懸置位移和駕駛室上懸置安裝點(diǎn)處的加速度為迭代目標(biāo)，經(jīng)過7次迭代后的各通道相對(duì)損傷比如圖7所示。由圖7可知，相對(duì)損傷比在一個(gè)較合理的范圍內(nèi)(0.5～2)，滿足精度判定要求。

圖7 各通道相對(duì)損傷比

以左后懸置位移迭代結(jié)果為例進(jìn)行說明，實(shí)車實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真迭代結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 位移迭代結(jié)果

隨意截取位移迭代結(jié)果25 s～32 s段進(jìn)行局部放大，如圖9所示，兩組數(shù)據(jù)基本完全對(duì)應(yīng)，重合度非常高，滿足精度要求。

圖9 位移迭代結(jié)果局部放大

將經(jīng)過7次迭代滿足精度要求的驅(qū)動(dòng)載荷,施加到駕駛室多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，進(jìn)而得到駕駛室懸置點(diǎn)處的疲勞載荷。

2.3 疲勞分析

本文是在駕駛室CATIA三維模型的基礎(chǔ)上，利用有限元前處理軟件HyperMesh建立全內(nèi)飾駕駛室有限元模型，應(yīng)用Nastran求解器進(jìn)行線性靜力分析，使用慣性釋放方法求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布。模型各鈑金件采用2D殼單元模擬；焊點(diǎn)建模采用RBE3-BEAM-RBE3，疲勞計(jì)算模型中焊點(diǎn)采用BEAM單元，由疲勞軟件Femfat根據(jù)模型中焊點(diǎn)屬性文件自動(dòng)識(shí)別，駕駛室有限元模型如圖10所示。

圖10 駕駛室有限元模型

計(jì)算疲勞S-N曲線由疲勞軟件根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度進(jìn)行擬合，將得到的單位載荷應(yīng)力場(chǎng)分布、材料S-N曲線、駕駛室疲勞載荷導(dǎo)入求解器進(jìn)行計(jì)算，得到駕駛室的疲勞壽命分布，如圖11所示。

從圖11可知：衍生開發(fā)的新駕駛室損傷最大區(qū)域?yàn)锳柱下段折彎區(qū)域，損傷達(dá)到0.12，低于目標(biāo)損傷值1；同時(shí)駕駛室懸置安裝點(diǎn)、門框等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域損傷水平與原狀態(tài)相當(dāng)，滿足駕駛室耐久性能要求。

圖11 駕駛室疲勞壽命分析結(jié)果

基于原型駕駛室開發(fā)成功的經(jīng)驗(yàn)和在市場(chǎng)上的表現(xiàn)，通過運(yùn)用疲勞分析技術(shù)計(jì)算，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目標(biāo)損傷值，綜合評(píng)估認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)較低可控，可以通過小批量特定工況市場(chǎng)驗(yàn)證來替代試驗(yàn)場(chǎng)疲勞耐久驗(yàn)證。后期通過持續(xù)跟蹤，該新開發(fā)的駕駛室未出現(xiàn)任何疲勞失效故障。對(duì)于駕駛室衍生開發(fā)，采用疲勞分析技術(shù)與傳統(tǒng)道路驗(yàn)證方法相比，在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段可及時(shí)識(shí)別和規(guī)避結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)驗(yàn)證提供高的信心度，有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，從而節(jié)約研發(fā)成本，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于多體動(dòng)力學(xué)和有限元法聯(lián)合仿真的商用車駕駛室疲勞分析技術(shù)方案。在商用車駕駛室衍生開發(fā)過程中，通過采集駕駛室耐久試驗(yàn)路譜信號(hào)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行迭代提取駕駛室懸置安裝點(diǎn)的疲勞載荷歷程；采用有限元法分析單位載荷的應(yīng)力場(chǎng)分布；運(yùn)用S-N(應(yīng)力-壽命)方法計(jì)算得到駕駛室的疲勞壽命分布，對(duì)駕駛室不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化和加強(qiáng)。分析結(jié)果表明：疲勞分析技術(shù)在商用車駕駛室衍生開發(fā)中的應(yīng)用能夠有效保證結(jié)構(gòu)的耐久性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，大幅縮短研發(fā)周期,節(jié)約研發(fā)成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。