黃 瑋，陳淑平，黃 暉，熊 偉，吳和興

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330000；2.南昌市工業(yè)技術(shù)研究院，江西 南昌 330000）

0 引言

在車輛正常行駛時，復(fù)雜路面與發(fā)動機產(chǎn)生的外界激勵將通過車架傳遞給車身系統(tǒng)，車身系統(tǒng)要承受外界的隨機交變激勵[1]，存在的潛在疲勞失效風(fēng)險則可能引發(fā)安全問題，從而造成用戶的顧慮。因此，汽車疲勞壽命分析是汽車設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[2-5]，也是各汽車廠家關(guān)注的焦點問題。

汽車車身若在客戶三包期內(nèi)出現(xiàn)失效問題，會影響企業(yè)產(chǎn)品口碑及競爭力。為了規(guī)避此問題，車身疲勞研究已引起了車企的廣泛關(guān)注和重視。主流汽車主機廠設(shè)計階段會通過CAE手段進行疲勞分析及優(yōu)化，待整車出來后再進行耐久試驗。若整車耐久出現(xiàn)失效，則會通過CAE手段進行故障整改，利用載荷譜縮減處理[6]等方法，獲取重新編制加速的臺架載荷譜，再采用室內(nèi)臺架試驗來驗證整改后的設(shè)計方案的可行性。

CAE技術(shù)能夠使汽車車身在設(shè)計階段就開展有效的車身疲勞耐久性分析和優(yōu)化，從而避免了設(shè)計的盲目性，提升了整車通過道路試驗的概率，提高了車身設(shè)計的效率，縮短了設(shè)計周期并降低了車身的重量及成本[7]。

本文以某皮卡車為研究對象，詳細闡述了CAE技術(shù)在新開發(fā)皮卡車身疲勞分析中的應(yīng)用，并能夠有效解決上述問題。首先建立整車多體模型，對基礎(chǔ)車實測道路載荷譜進行虛擬迭代反求出路面激勵信號，然后通過載荷轉(zhuǎn)移方法獲得設(shè)計車的路面激勵信號，并提取了新開發(fā)車身安裝點的疲勞載荷，最后將該載荷應(yīng)用于設(shè)計階段的新開發(fā)車型車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。CAE疲勞分析技術(shù)在新開發(fā)皮卡車身中的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 CAE疲勞分析技術(shù)在新開發(fā)皮卡車身中的應(yīng)用流程圖

1 CAE技術(shù)的理論基礎(chǔ)

近年來，CAE技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，在汽車企業(yè)的設(shè)計研發(fā)及故障整改工作中起到了重要作用，如今汽車產(chǎn)品的研發(fā)已離不開CAE技術(shù)的支持。本研究綜合應(yīng)用虛擬迭代、載荷轉(zhuǎn)移及疲勞壽命分析等方法，研究CAE技術(shù)在汽車及機械行業(yè)的有效性。

1.1 道路載荷譜采集

道路載荷譜采集通常服務(wù)于整車疲勞研究，首先需要獲取關(guān)鍵部件的加速度、位移、應(yīng)變及運行狀態(tài)信號（速度）等數(shù)據(jù)，再對實測的載荷譜數(shù)據(jù)進行通道排序，重采樣、濾波等預(yù)處理之后，才能夠得到滿足虛擬迭代的信號輸入需求的數(shù)據(jù)?；诨A(chǔ)車采集的數(shù)據(jù)迭代，不能直接輸入給設(shè)計車進行疲勞分析，需要先進行迭代反求出路面激勵信號，再根據(jù)載荷轉(zhuǎn)移方法獲取設(shè)計車輪胎接地點垂向位移激勵，最后將激勵信號輸入設(shè)計車多體模型，載荷分解得到的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞載荷才可作為疲勞分析輸入。

1.2 載荷分解

1.2.1 虛擬迭代技術(shù)

虛擬迭代[8-13]技術(shù)的核心介質(zhì)是多體動力學(xué)模型的傳遞函數(shù)，是應(yīng)用標定技術(shù)以獲取真實道路譜，再通過驅(qū)動多體動力學(xué)整車模型進行迭代，使車輛虛擬模型的相應(yīng)通道逼近實測道路譜信號，從而實現(xiàn)虛擬樣機重現(xiàn)實際道路的過程，進而獲取車身及其零部件的道路疲勞載荷，為疲勞分析提供載荷輸入。此項技術(shù)是一種實用性強、精度高、經(jīng)濟可靠的疲勞載荷獲取方法，虛擬迭代技術(shù)的流程主要包括3個過程：

1）計算傳遞函數(shù)：

2）計算第一個輸入：

3）計算更多的迭代：

式中，F(xiàn)-1(f)表示逆函數(shù)；yD(f)表示采集的目標信號；yi(f)表示第i次迭代信號；ui表示第i次驅(qū)動信號；ui+1表示第i+1次驅(qū)動信號；G表示迭代增益系數(shù)。計算的響應(yīng)信號與采集的載荷譜數(shù)據(jù)進行相對損傷對比，通過反復(fù)迭代，最終保證相對損傷結(jié)果在0.5~2.0之間，使迭代滿足要求。

1.2.2 載荷轉(zhuǎn)移技術(shù)

通常情況下，汽車主機廠開發(fā)的新車型都會在基礎(chǔ)車上采用基礎(chǔ)車的前后懸掛系統(tǒng)進行開發(fā)，但是此方式會增加輪距和軸距。本研究新開發(fā)的車型和基礎(chǔ)車的底盤平臺相似，故可采用相同的耐久目標及基礎(chǔ)車采集道路載荷，從而解決了設(shè)計車載荷采集困難的問題，設(shè)計階段直接利用基礎(chǔ)車采集的載荷數(shù)據(jù)迭代獲取疲勞載荷，最后通過有限元法進行疲勞壽命評估。本研究的試驗對象是新開發(fā)車型，在基礎(chǔ)車型上加長軸距、增大空間設(shè)計，但整個前后懸掛系統(tǒng)和基礎(chǔ)車相同。基礎(chǔ)車的輪心道路載荷為（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz），垂向激勵改用輪胎接地位移Dz替代，采用混合方式加載[14]（αFx，αFy，Dz，αMx，αMy，αMz），其中，α表示設(shè)計車與基礎(chǔ)車軸荷比值。輪胎接地位移Dz由基礎(chǔ)車反求獲得，而不是直接測量得到，可以用來表示實際路面的幾何垂向不平度特征。新開發(fā)車的軸距較基礎(chǔ)車更長，其后軸輸入的載荷譜相位較基礎(chǔ)車也應(yīng)該后移，滯后時間間隔為新開發(fā)車和基礎(chǔ)車的軸距差值與路譜采集的車速的比值。Dz是新開發(fā)車和基礎(chǔ)車相同的固定屬性，垂直方向使用Dz能準確再現(xiàn)新車型的受力狀態(tài)，這對于精確分析車身壽命極為重要[11]。

1.3 疲勞分析

車身結(jié)構(gòu)的疲勞是個復(fù)雜的歷程，影響因素有很多，為了能夠在設(shè)計開發(fā)階段精準地預(yù)估車身結(jié)構(gòu)的疲勞潛在風(fēng)險，采用CAE技術(shù)是必要手段，該虛擬仿真分析可精準預(yù)測整車結(jié)構(gòu)疲勞壽命。疲勞分析流程如圖2所示。

圖2 疲勞分析及優(yōu)化流程圖

整車模型較大，不僅占用大量的計算機資源，而且需要花費很長的計算時間。為了減少計算資源，并提升仿真結(jié)果精度。本研究采用準靜態(tài)疊加方法[15]及Miner線性累積損傷準則進行疲勞分析，建立皮卡車身的有限元模型，應(yīng)用慣性釋放的原理計算獲得單位力作用下的車身靜態(tài)分析結(jié)果，再把車身與車架各連接點處的載荷和車身材料的S-N曲線導(dǎo)入nCode軟件進行分析，可以仿真出白車身的疲勞壽命分析結(jié)果。

Miner線性累積損傷準則表示如下：

其中，D為零件損傷值；第i級應(yīng)力水平下經(jīng)過的循環(huán)數(shù)用ni表示；第i級應(yīng)力水平達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)數(shù)用Ni,f表示；對應(yīng)應(yīng)力水平下的零件材料疲勞循

環(huán)比用ni/Ni,f表示。當D=1時，從理論上來講試驗樣件已開始發(fā)生疲勞破壞。因為Miner準則原理簡單，與試驗結(jié)果一致性高，所以上述方法是目前汽車主機廠廣泛應(yīng)用的疲勞壽命預(yù)測方法。

2 CAE技術(shù)的應(yīng)用

本研究以國內(nèi)某皮卡汽車為例，該項目要求整個懸架系統(tǒng)不變，只是軸距加長及車身全新開發(fā)。以下是CAE技術(shù)在車身新開發(fā)項目上的具體應(yīng)用。

2.1 道路載荷譜采集

在某汽車試驗場采集道路載荷譜，采集前需合理地對基礎(chǔ)車布置傳感器，并嚴格按照試驗規(guī)定速度通過各工況對應(yīng)的耐久路面?；A(chǔ)車的采集通道主要包括前后軸頭加速度、輪心六向力、前后懸架位移等，采集信號數(shù)量及種類如表1所示。前軸頭加速度測量如圖3所示，使用拉線傳感器測量后懸架位移，如圖4所示。

圖4 后懸架位移測量

表1 采集信號數(shù)量、種類及采集通道

圖3 前軸頭加速度測量

2.2 載荷分解

新設(shè)計車型的車身載荷預(yù)測精度與模型準確性強度相關(guān)，著手多體建模前，需梳理必須要測試的建模參數(shù)，并嚴格按照測試要求獲取對應(yīng)的測試值。為了保證設(shè)計車型的整車模型的準確性，先對基礎(chǔ)車的K&C仿真、操縱穩(wěn)定性工況及平順性工況的仿真結(jié)果與測試結(jié)果進行對標，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)一致性較高則通過，驗證建模方法準確性后，再應(yīng)用到設(shè)計車型的整車模型搭建中。

建立整車多體動力學(xué)模型，其包含的子系統(tǒng)有前懸架、前橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向、動力總成、車身（含車架、駕駛室和貨廂）、后橋、后懸架、前后輪心DZ激勵和五分力子系統(tǒng)后輪心等，由于激勵位于輪心，所以不包含輪胎子系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 多體動力學(xué)模型

以扭曲路為例，通過多次迭代，最終得到各通道仿真結(jié)果與實測信號的相對損傷值，詳細結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，最終各位置相對損傷結(jié)果均在0.5~2.0的可接受范圍內(nèi)[16]，表明滿足迭代的精度要求。

圖6 各通道相對損傷值

為了進一步闡述迭代對標結(jié)果的合理性，本研究以左后懸架位移迭代結(jié)果為例進行展示，虛擬迭代與實測數(shù)據(jù)結(jié)果對標如圖7所示。

圖7 后懸架位移迭代結(jié)果

隨意截取10 s~15 s時間段的位移迭代結(jié)果局部放大，如圖8所示，實測與仿真位移信號的變化趨勢基本一致，其各峰值均比較吻合，能夠滿足精度要求，對標結(jié)果進一步驗證了迭代結(jié)果的準確性。根據(jù)載荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，獲得設(shè)計車的驅(qū)動載荷，再將經(jīng)過9次迭代且滿足精度要求的驅(qū)動載荷施加到設(shè)計車的多體動力學(xué)模型中的輪胎接地點上，并提取新開發(fā)車車身安裝點的疲勞載荷。

圖8 后懸架位移迭代結(jié)果局部放大

2.3 疲勞分析

本研究的新開發(fā)皮卡車身由多個鈑金件焊接而成。利用HyperMesh創(chuàng)建帶內(nèi)飾車身的仿真模型，有限元網(wǎng)格主要采用殼單元類型，以四邊形為主、三角形為輔的方法進行網(wǎng)格劃分；再應(yīng)用Nastran求解器進行靜力分析，車身的焊點連接采用RBE3-BEAM-RBE3模擬，網(wǎng)格模型包含2 232 156個單元體，1 914 981個節(jié)點。網(wǎng)格劃分后，車身各零件賦予相應(yīng)的厚度和材料等屬性，最終完成車身TB（Trimmed Body）有限元模型搭建，它包括白車身（BIP）、前后門、天窗、引擎蓋、內(nèi)飾、座椅、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、各系統(tǒng)附件及電子電器等部件。疲勞分析[17]需要的S-N曲線，可以利用nCode軟件擬合獲得，即將材料的抗拉強度和屈服強度輸入到軟件中，再將車身的單位載荷靜力分析結(jié)果和疲勞載荷譜文件導(dǎo)入nCode軟件中，通過軟件即可計算出疲勞壽命。

如圖9所示，新設(shè)計開發(fā)的車身疲勞風(fēng)險最大區(qū)域為前圍風(fēng)窗橫梁，損傷值為11.2，大于設(shè)計目標值1。同時也識別出其他兩處風(fēng)險位置，后地板面板及后排座椅支撐板損傷值分別為5.1和1.2，如表2所示。

圖9 車身疲勞風(fēng)險最大區(qū)域結(jié)果

表2 設(shè)計前后疲勞破壞預(yù)測對比結(jié)果

上述3處疲勞風(fēng)險位置，必須進行材料、工藝及結(jié)構(gòu)改進以提高疲勞性能。本研究以車身疲勞風(fēng)險最大區(qū)域前圍風(fēng)窗橫梁為例介紹優(yōu)化方案，首先在分析導(dǎo)致前圍風(fēng)窗橫梁疲勞損傷原因的過程中，發(fā)現(xiàn)前圍風(fēng)窗橫梁局部疲勞損傷值最大位置和加強板未搭接上，嘗試延長加強板，使其與前圍風(fēng)窗橫梁搭接上，并增加5個焊點，通過重新分析計算，前圍風(fēng)窗橫梁局部疲勞損傷值最大位置的損傷值優(yōu)化為0.96，小于設(shè)計目標值1。考慮優(yōu)化改進方案的工程可行性與成本，針對預(yù)測存在的潛在風(fēng)險疲勞破壞的部件采用兩種不同改進方案。并對采用優(yōu)化方案后的車身重新進行疲勞分析，改進前后風(fēng)險件損傷值如表2所示，優(yōu)化后的零件疲勞損傷值有明顯下降，小于設(shè)計目標值1。說明通過疲勞優(yōu)化后，車身疲勞性能得到了明顯改善。

3 結(jié)論

本文以某皮卡新開發(fā)車身為研究對象，綜合應(yīng)用虛擬迭代、載荷轉(zhuǎn)移及疲勞壽命分析方法，在設(shè)計開發(fā)階段成功預(yù)測出車身疲勞潛在失效的問題，得到了以下結(jié)論：

1）利用Adams軟件建立基礎(chǔ)車及新開發(fā)車的多體模型，并對基礎(chǔ)車實測道路載荷譜進行虛擬迭代反求出路面激勵信號，再通過載荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，可得到準確的新設(shè)計車放大載荷和混合驅(qū)動輸入邊界信號，最后加載到設(shè)計車的多體模型中，預(yù)測出設(shè)計車身的懸置點處的疲勞載荷。

2）通過疲勞分析識別出風(fēng)險區(qū)域，并采用提高材料牌號、優(yōu)化工藝及結(jié)構(gòu)的整改措施，改進方案的損傷值均小于疲勞性能設(shè)計的目標值1，最終的耐久道路試驗也未出現(xiàn)新開發(fā)車身疲勞失效的問題，驗證了基于CAE技術(shù)進行新開發(fā)車身疲勞分析流程的可行性及有效性。

3）新開發(fā)車和基礎(chǔ)車的底盤平臺相似，設(shè)計階段通常采用載荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，直接利用基礎(chǔ)車采集的載荷數(shù)據(jù)迭代獲取疲勞載荷，最后通過有限元法進行疲勞壽命評估。該方法既能降低研發(fā)的潛在失效風(fēng)險和成本，縮短研發(fā)周期，又能提升企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。