承載式車身焊點疲勞壽命分析研究

鄭　非,孫　濤,劉　斌,鄭松林

(1.上海理工大學 機械工程學院 汽車工程系，上海 200093;2.上汽集團商用車技術中心，上海 200438;

3. 機械工業(yè)汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

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承載式車身焊點疲勞壽命分析研究

鄭非1,3,孫濤1,3,劉斌2,鄭松林1,3

(1.上海理工大學 機械工程學院 汽車工程系，上海 200093;2.上汽集團商用車技術中心，上海 200438;

3. 機械工業(yè)汽車底盤機械零部件強度與可靠性評價重點實驗室，上海 200093)

摘要:文中針對某承載式車身焊點結(jié)合疲勞壽命虛擬分析技術與強化耐久試驗進行了比較研究。根據(jù)疲勞壽命分析理論，采用經(jīng)模態(tài)試驗驗證了其精度及有效性的模型，結(jié)合多體動力學分析得到的載荷譜，對車身焊點的疲勞壽命進行預測分析；并與強化疲勞耐久試驗結(jié)果進行了比較，分析了造成車身焊點低壽命區(qū)域的原因并提出了改進方案，從而有效解決了該車車身焊點疲勞壽命設計中存在的缺陷，為后續(xù)設計與優(yōu)化提供了參照。

關鍵詞：車身焊點；模態(tài)試驗；動力學仿真；疲勞壽命；強化耐久試驗

0　引　言

在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中，焊接是一項很關鍵的工藝，它不僅對車身的建造質(zhì)量有很大的影響，而且對提高生產(chǎn)率、降低成本、縮短制造周期都有很大的作用。焊接工時在整個車身制造四大工藝中占 30%～40%[1]。車身鈑金結(jié)構由板材和型材利用電阻點焊方法連接而成，在循環(huán)動態(tài)隨機載荷作用下，許多構件上便會因動態(tài)應力而引起疲勞損傷并發(fā)生疲勞斷裂。車身大多數(shù)焊點通常只承受剪切力，焊點的應力狀態(tài)和幾何結(jié)構的形狀會導致焊核區(qū)域的應力集中，從而引起焊點疲勞裂紋萌生，這種疲勞破壞會在很大程度上降低車輛結(jié)構振動性能和增加車輛的噪聲[2]。因此，了解車身焊點疲勞強度在車輛結(jié)構設計中是非常重要的。

進行一輪常規(guī)的焊點疲勞壽命試驗需要耗時半年，從而發(fā)現(xiàn)并解決問題，嚴重制約了新車開發(fā)進程，如果問題難以規(guī)避，重新設計并制造將帶來開發(fā)周期再次延長的嚴重后果。與常規(guī)試驗方式相比，運用有限元法分析焊點疲勞壽命可以大幅縮短周期，與強化疲勞耐久性試驗結(jié)果進行相關性分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行方案優(yōu)化改進，可極大地縮短承載式車身焊點耐久性開發(fā)周期。

國外學者針對車輛零部件疲勞耐久性進行了大量研究,積累了一整套從路面試驗、理論分析到可靠性評價的研發(fā)流程和數(shù)據(jù)資料,并形成了成熟的規(guī)范體系[3，4]。相較于國外，國內(nèi)對汽車結(jié)構疲勞壽命的研究工作起步較晚，研究的對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有限元法與快速疲勞試驗的相關性分析，從而提供解決設計開發(fā)初期車身焊點疲勞壽命預測及試驗等效性等問題的思路。

1　車身焊點疲勞壽命預測方法

1.1　車身CAE模型的建立

白車身及焊點有限元分析模型，以HyperMesh作前處理、同時分析模型按整車滿載質(zhì)量計算，附加質(zhì)量用質(zhì)量點單元模擬，發(fā)動機、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

車身焊點的疲勞壽命分析是建立在車身有限元模型基礎上，車身焊點CAE模型能否有效地模擬實車鐵架模型各鈑金件之間的電阻點焊連接關系，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實車試驗來驗證模型的可信度。本文主要通過白車身模態(tài)試驗對標分析來完成車身有限元模型的精度及有效性驗證。

模態(tài)試驗是指以測取被試系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)為目的所進行的試驗，一般情況下是對被測系統(tǒng)進行專門設置的激振試驗，如圖2所示。根據(jù)試驗測試結(jié)果進行參數(shù)識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

表1　車身模態(tài)分析與試驗結(jié)果對比

比較有限元與試驗的前六階模態(tài)結(jié)果，二者振型特點基本吻合，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的主要結(jié)構力學特性，可用于車身焊點的設計分析中。

1.3　強化路面的虛擬仿真

1.3.1疲勞載荷譜

汽車行駛中所受到的外部載荷是隨時間變化的動態(tài)載荷，在這種載荷作用下，汽車的許多構件上都產(chǎn)生動態(tài)應力，引起疲勞損傷，其破壞形式是疲勞斷裂。受隨機載荷影響的汽車零件，在進行疲勞強度計算和壽命估算前，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主要特征[7]。只有準確的能反映實際情況的疲勞載荷譜才能估算零部件的使用壽命和進行零部件疲勞可靠性分析，最終為設計開發(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)動力學方程,

(1)

(2)

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

圖3 車身與前懸架連接處三向載荷譜

1.4　車身焊點疲勞壽命分析

在前面動力學分析中已經(jīng)獲得車身的疲勞載荷[10]，而焊點材料為典型的碳素鋼結(jié)構材料，彈性模量210 GPa，密度3.78×104 kg /m3，泊松比0.3。在比利時路面載荷的激勵下，車身焊點的壽命云圖包含了車身所有焊點的疲勞壽命(循環(huán)次數(shù)的對數(shù))分布圖，紅色區(qū)域為疲勞壽命較高的焊點，藍色區(qū)域為疲勞壽命較低的焊點。最短循環(huán)次數(shù)為452次，沒有達到設計標準，通過增加焊點或移動焊點位置來調(diào)試分析結(jié)果。

圖4 車身焊點疲勞壽命分布

2　承載式車身強化耐久性試驗

疲勞虛擬分析結(jié)束后，將進行試驗樣車的強化耐久試驗[11]。實車道路試驗的地點在某試驗場的比利時路面，試驗道路與試驗用車如圖5所示。

圖5　試驗道路和試驗樣車

依照《GB/T 12428-2005 客車裝載質(zhì)量計算方法》、《GB/T 12534-1990 汽車道路試驗方法通則》和《GB 15082-2008 汽車用車速表》等法規(guī)進行試驗。強化路面整個循環(huán)實際里程為0.7 km，其中有效試驗里程為0.65 km，總共進行2 600個循環(huán)。

試驗時,車輛以40 km/h的車速在強化路面上行駛，在連續(xù)完成強化路面試驗一次計為一循環(huán)。每天完成試驗要求循環(huán)后，試驗工程師需要記錄當天行駛的試驗里程數(shù)，記錄車輛所發(fā)生故障和問題，填寫試驗報告。試驗結(jié)束后,對試驗車輛有最終的評估報告。

3　試驗驗證和結(jié)果優(yōu)化改進

經(jīng)過強化路試第893循環(huán)后，發(fā)現(xiàn)左右D柱附近焊點開裂。開裂圖片如圖6所示。

對路試車左右D柱附近焊點區(qū)域進行查看，發(fā)現(xiàn)該處焊點所處位置為D柱骨架兩層鈑金之間的焊接點，焊點開裂形式是從根部開始出現(xiàn)開裂。這說明了在強化路面下側(cè)圍蒙皮結(jié)構產(chǎn)生較大變形，D柱失效焊點區(qū)域兩鈑金連接部分存在較高剪切應力。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，失效焊點壽命對數(shù)為3.9，如圖7(a)，即最短壽命為7 943次循環(huán)，合計5 560 km，與強化路試折合成常規(guī)道路的6 250 km出現(xiàn)開裂的情況十分接近[12]。焊點開裂風險高，故采用兩種結(jié)構改進方案對比，方案一是取消失效焊點。區(qū)域焊點壽命(對數(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35 082 km，焊點開裂風險低。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%。方案二是失效焊點保留，在該處增加高強度結(jié)構膠。該區(qū)域焊點壽命提升到4.9，如圖6(c)，即最短壽命為79 432次循環(huán)，合計55 602 km，風險低于方案一。采取方案二跟蹤新一輪PAVE路試結(jié)果，該處焊點并未開裂。

圖6 焊點開裂

圖7 CAE分析與改進

4　結(jié)　論

本文基于模態(tài)分析和多體動力學分析的疲勞壽命分析方法， 預測出了承載式車身焊點的全壽命分布，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，因此需要對這些關鍵區(qū)域進行優(yōu)化改進。結(jié)合強化疲勞耐久試驗，改進優(yōu)化車身焊點分布,可以看出，文中運用的疲勞壽命分析方法，能夠在產(chǎn)品設計的初期對產(chǎn)品壽命進行初步預測和驗證， 并為產(chǎn)品的優(yōu)化設計提供參考，對縮短產(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：

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0007-03

作者簡介：鄭非(1989-)，男，內(nèi)蒙古人，研究方向為車輛耐久性工程分析。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375313)。

收稿日期：2014-12-15 2014-12-11