基于虛擬疲勞分析的改款車型快速開(kāi)發(fā)

韋光 余傳文 楊文利 于保君 張黎宏

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司奔騰事業(yè)本部，長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

基于虛擬疲勞分析的改款車型快速開(kāi)發(fā)

韋光1余傳文1楊文利2于保君2張黎宏1

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司奔騰事業(yè)本部，長(zhǎng)春 130011；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

根根據(jù)改款車型開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，以原車型道路載荷譜作為輸入，應(yīng)用虛擬疲勞分析技術(shù)，在無(wú)物理樣車的情況下對(duì)新車型進(jìn)行了車身疲勞壽命預(yù)估和車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)整車臺(tái)架耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬疲勞分析結(jié)果的正確性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備及減少物理樣車試驗(yàn)輪次，在保證車身耐久性能滿足開(kāi)發(fā)目標(biāo)的前提下，縮短了研發(fā)周期。

1 前言

為了提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，汽車生產(chǎn)廠商通常要在車型上市后2年左右投放一款通過(guò)改變外觀或增加配置等方式開(kāi)發(fā)的改款車型。本文結(jié)合某改款車型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，基于原車型道路載荷譜，在應(yīng)用CAE虛擬疲勞分析與整車MTS臺(tái)架耐久試驗(yàn)對(duì)新車型車身疲勞壽命進(jìn)行分析和驗(yàn)證的前提下，采用試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備并行的開(kāi)發(fā)方式，在保證整車耐久性能滿足開(kāi)發(fā)要求的同時(shí)，有效地縮短了開(kāi)發(fā)周期。

2 開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與解決措施

2.1 車身耐久性能開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

新車型通過(guò)采用全新外飾以及橫置尾燈實(shí)現(xiàn)改款。其尾燈采用橫向分體式并分別安裝在側(cè)圍后立柱和后背門上，如圖1所示。

圖1 尾燈的布置變化

因后背門上尾燈的散熱性能要求以及后立柱上的尾燈高度降低，新車型后背門的厚度和寬度的最大尺寸相比原車型均增加了約30 mm，同時(shí)也使其質(zhì)量增加了約2 kg，這些變化必然影響后背門和后背門洞關(guān)鍵部位鈑金（包括后背門鉸鏈、撐桿及鎖環(huán)位置等）的耐久性能，能否達(dá)成開(kāi)發(fā)目標(biāo)存在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 量產(chǎn)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于車身耐久性能的開(kāi)發(fā)，按照傳統(tǒng)的整車開(kāi)發(fā)方式，通常是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成并完成物理樣車試制后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，包括整車MTS臺(tái)架耐久試驗(yàn)和道路耐久性試驗(yàn)，如圖2所示。MTS試驗(yàn)及道路試驗(yàn)通常需進(jìn)行至少2輪，按此流程的開(kāi)發(fā)周期推算，量產(chǎn)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)將無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)要求。

圖2 傳統(tǒng)的整車開(kāi)發(fā)方式與試制生準(zhǔn)并行的整車開(kāi)發(fā)方式

2.3 車身耐久性能開(kāi)發(fā)方法與流程的改進(jìn)措施

為保障整車開(kāi)發(fā)質(zhì)量的同時(shí)大幅縮短開(kāi)發(fā)周期，需在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期引入CAE虛擬疲勞分析技術(shù)。該技術(shù)主要有全數(shù)字試驗(yàn)場(chǎng)方法和混合路面方法[3]，改款車型的開(kāi)發(fā)適合采用混合路面方法，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種CAE虛擬疲勞分析技術(shù)對(duì)比

對(duì)于傳統(tǒng)的整車開(kāi)發(fā)方式，試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)是串行的，本文在引入CAE虛擬疲勞分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)方式的更新，采用了如圖2所示的試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備并行的整車開(kāi)發(fā)方式：

a.在基于原車型驗(yàn)證CAE分析結(jié)果可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車身疲勞壽命的前提下，采集原車型道路行駛載荷并編制載荷譜，在試制啟動(dòng)前對(duì)新車型進(jìn)行2輪CAE分析，完成對(duì)車身疲勞壽命的預(yù)測(cè)及車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

b.考慮到引入CAE分析會(huì)使車身耐久性能在試制啟動(dòng)前即可滿足設(shè)計(jì)要求，在2輪CAE分析完成后啟動(dòng)樣車試制，同時(shí)提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備，即試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備并行。CAE分析評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)是啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備的必要條件之一，以避免因提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備導(dǎo)致后期模具的修改甚至報(bào)廢。

c.考慮到車身耐久性能在虛擬樣車階段即可得到有效控制，樣車試制完成后，物理樣車試驗(yàn)輪次可適當(dāng)減少，MTS試驗(yàn)及道路試驗(yàn)均僅需進(jìn)行1輪。

綜上，通過(guò)提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備、減少物理樣車試驗(yàn)輪次，試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備并行的整車開(kāi)發(fā)方式有效縮短了開(kāi)發(fā)周期，而成功采取此方式的關(guān)鍵則是基于虛擬分析技術(shù)與MTS試驗(yàn)相結(jié)合的車身疲勞壽命分析及驗(yàn)證方法。

3 車身疲勞壽命分析及驗(yàn)證

車身疲勞壽命分析及驗(yàn)證方法如圖3所示。

圖3 車身疲勞壽命分析與驗(yàn)證方法

3.1 載荷采集與載荷譜編制

采集道路載荷譜的目的是獲得原車型關(guān)鍵部位的載荷信號(hào)，并以此作為CAE分析中虛擬載荷迭代的系統(tǒng)目標(biāo)信號(hào)以及MTS試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)迭代的臺(tái)架期望響應(yīng)。

按照本企業(yè)內(nèi)部乘用車承載系可靠性試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)原車型在某試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化路上進(jìn)行測(cè)試，其典型路段包括失修路、卵石路、比利時(shí)路、扭曲路、搓板路、魚(yú)鱗坑等。主要采集信號(hào)為后背門及周邊車身鈑金等重點(diǎn)考核部位的加速度和應(yīng)力信號(hào)，加速度傳感器及應(yīng)變片布置位置見(jiàn)圖4和表2。

圖4 加速度傳感器及應(yīng)變片布置位置

表2 加速度及應(yīng)力信號(hào)各測(cè)點(diǎn)說(shuō)明

采集到的后背門下中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)23）及兩側(cè)下角點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)22、24）的X向（同整車坐標(biāo)系）加速度時(shí)間歷程如圖5所示，由圖5可知，左下角點(diǎn)與右下角點(diǎn)的信號(hào)幅值大于下中點(diǎn)，并且信號(hào)相位相反，說(shuō)明后背門的下角在X向受到方向相反的載荷，整體發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

圖5 采集的加速度信號(hào)

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，得到的最大應(yīng)力情況見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，后背門的鉸鏈安裝面（測(cè)點(diǎn)19、20）的最大應(yīng)力達(dá)到了215 MPa，為各測(cè)點(diǎn)中最大值，其次為后背門的下中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)23），損傷值的排序亦然，此兩測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程如圖6所示，可見(jiàn)，卵石路、比利時(shí)路、扭曲路對(duì)后背門附近造成的損傷均較大。

表3 各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力

圖6 采集的應(yīng)力信號(hào)

3.2 車身疲勞壽命預(yù)測(cè)

采用CAE混合路面分析方法分別對(duì)原車型和新車型進(jìn)行車身疲勞壽命預(yù)測(cè)，如圖7所示。

圖7 CAE混合路面分析方法

基于原車型的道路載荷譜，通過(guò)建立原車型的MBS模型（如圖8所示），由虛擬載荷迭代獲得虛擬樣機(jī)的載荷激勵(lì)信號(hào)。以白車身有限元模型為基礎(chǔ)，將其他非結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，分別建立原車型和新車型的全內(nèi)飾車身模型。對(duì)此模型利用有限元法無(wú)約束系統(tǒng)慣性釋放技術(shù)，得到單位載荷下車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，與虛擬迭代得到的載荷激勵(lì)疊加計(jì)算，同時(shí)輸入材料的特性曲線，利用應(yīng)力或應(yīng)變壽命分析方法，可得到兩個(gè)車型的車身結(jié)構(gòu)損傷分布[4]。

圖8 多體動(dòng)力學(xué)模型

建立MBS模型需要零部件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、硬點(diǎn)位置、部件連接關(guān)系，以及從根本上決定了模型優(yōu)劣的橡膠襯套的非線性特性[5]。為保證CAE分析的精度，本文對(duì)原車型的懸架、懸置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的12個(gè)橡膠襯套（見(jiàn)表4）進(jìn)行了阻尼、剛度等參數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)，最終獲得的襯套動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼曲線（以前懸架減振器上襯套Z向?yàn)槔┤鐖D9所示。

表4 橡膠襯套參數(shù)測(cè)試

圖9 襯套動(dòng)態(tài)剛度及阻尼曲線

經(jīng)CAE分析得到的疲勞失效薄弱位置見(jiàn)表5，后背門及周邊車身鈑金等重點(diǎn)考核區(qū)域內(nèi)只有后背門上鉸鏈安裝面的損傷較大，而其余位置損傷較低，為無(wú)限壽命。原車型鉸鏈處的損傷達(dá)到10-2量級(jí)，考慮到在已完成的原車型道路耐久性試驗(yàn)中此處未出現(xiàn)過(guò)疲勞失效，此量級(jí)沒(méi)有疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。新車型的此處損傷達(dá)到10-1量級(jí)，即后背門的疲勞壽命僅為原車型的1/10，存在較大的疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由表5可知，疲勞失效薄弱位置集中在后背門鉸鏈安裝面的幾何曲面突變處、鉸鏈安裝孔附近，與新車型后背門質(zhì)量增加導(dǎo)致局部應(yīng)力集中有很大關(guān)系。為此，采用以下措施改進(jìn)后背門鉸鏈加強(qiáng)板：

a.增加鉸鏈加強(qiáng)板在鉸鏈安裝面附近的結(jié)構(gòu)尺寸，并在與后背門內(nèi)板的搭接處增加焊點(diǎn)，提高此處結(jié)構(gòu)的承載能力。

b.將鉸鏈加強(qiáng)板的材料從屈服極限為240 MPa的SPCD更換為屈服極限為250 MPa的ST13，提升零件的疲勞耐久性能。

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案重新進(jìn)行車身疲勞壽命預(yù)測(cè)，分析結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示，疲勞失效薄弱位置仍然為后背門鉸鏈安裝面，但鉸鏈安裝孔附近的損傷大幅降低，為無(wú)限壽命，僅鉸鏈安裝面的幾何曲面突變處尚存在薄弱點(diǎn)，而其疲勞強(qiáng)度也已得到了明顯增強(qiáng)，損傷降低到了10-2量級(jí)，達(dá)到了原車型的損傷水平，滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 重點(diǎn)考核區(qū)域（后背門鉸鏈安裝面）的疲勞失效薄弱位置

3.4 車身疲勞壽命驗(yàn)證

按照本企業(yè)內(nèi)部乘用車承載系可靠性試驗(yàn)規(guī)范，分別對(duì)原車型及新車型在輪胎耦合方式的六通道道路模擬機(jī)上進(jìn)行MTS試驗(yàn)，如圖10所示。其中，新車型已經(jīng)體現(xiàn)了基于CAE分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖10 MTS試驗(yàn)

兩車型MTS試驗(yàn)后的狀態(tài)（以疲勞失效薄弱的后背門鉸鏈安裝面為例）如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，完成規(guī)定的強(qiáng)化路試驗(yàn)里程（用戶當(dāng)量里程大于100 000 km，滿足整車開(kāi)發(fā)的質(zhì)量目標(biāo)）后，原車型及新車型的后背門及周邊車身鈑金等重點(diǎn)考核部位均未出現(xiàn)疲勞破壞。

圖11 MTS試驗(yàn)后的后背門鉸鏈安裝面

結(jié)合原車型的CAE分析和MTS試驗(yàn)結(jié)果可知，如果CAE分析得到的車身耐久性能滿足設(shè)計(jì)要求（疲勞失效薄弱位置的損傷不超過(guò)10-2量級(jí)），進(jìn)行MTS試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，車身結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，可以通過(guò)MTS試驗(yàn)驗(yàn)證。由此可見(jiàn)，CAE分析結(jié)果與MTS試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。因此，對(duì)于新車型，考慮到經(jīng)過(guò)基于CAE分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，疲勞失效薄弱位置的損傷降低到了10-2量級(jí)，通過(guò)MTS試驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)可以啟動(dòng)試制并提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)CAE分析和MTS試驗(yàn)驗(yàn)證，后背門及周邊車身鈑金一次性通過(guò)了后續(xù)的整車道路耐久性試驗(yàn)，車身耐久性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)達(dá)成，開(kāi)發(fā)周期大幅縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合開(kāi)發(fā)實(shí)例，對(duì)于改款車型開(kāi)發(fā)，經(jīng)整車MTS臺(tái)架耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證表明，基于道路載荷譜的CAE虛擬疲勞分析技術(shù)可以較好地預(yù)估車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命，并依此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整車性能在物理樣車試制前即可得到有效控制，在此前提下，采取試制與生產(chǎn)準(zhǔn)備并行的整車開(kāi)發(fā)方式，提前啟動(dòng)生產(chǎn)準(zhǔn)備并減少物理樣車試驗(yàn)輪次，可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 毛顯紅，肖攀，陳建華，等.基于道路譜的汽車車身疲勞分析.計(jì)算機(jī)輔助工程，2011，20（2）：75～78.

2 徐剛，周鋐，陳棟華，等.基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)的疲勞壽命預(yù)測(cè)研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（1）：97～100.

3 王忠校，于保君，閆鑫.乘用車車身疲勞仿真分析方法研究.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，長(zhǎng)春，2010.

4 王忠校，閆鑫，郭茂林，等.載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究.汽車技術(shù)，2014（7）：54～58.

5 閆鑫，王忠校，于保君.基于車身虛擬振動(dòng)臺(tái)的汽車橡膠襯套特性分析.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，長(zhǎng)春，2010.

6 吳偉，周鋐.基于室內(nèi)六通道汽車零部件道路模擬研究.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，3（2）：202～204.

Rapid Development of Facelift Vehicle Model Based on Virtual Fatigue Analysis

Wei Guang1,Yu Chuanwen1,Yang Wenli2,Yu Baojun2,Zhang Lihong1
（1.China FAW Corporation Limited Business Unit of Besturn,Changchun 130011;2.China FAW Corporation Limited General Research Institute,Changchun 130011）

By applying the technology of virtual fatigue analysis,body fatigue life of the new vehicle was estimated and the body structure design was optimized without the use of physical prototype,according to development characteristics of a facelift model,and with the road load spectrum of the former vehicle model as the input.Moreover,vehicle bench durability test verified validity of the virtual fatigue analysis result.On this basis,by starting the production preparation in advance,not only the body durability performance satisfied the development target,but also runs of physical prototype test were shortened.

Road load spectrum,Virtual fatigue analysis,Bench durability test,Facelift vehicle

道路載荷譜 虛擬疲勞分析 臺(tái)架耐久試驗(yàn) 改款車

U461.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）12-0013-05

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年2月10日。