發(fā)罩疲勞壽命分析方法的研究

丘明敏 唐宏俊 莫澄明

【摘 要】針對發(fā)罩在路試中存在鈑金和焊點(diǎn)開裂的問題，文章闡述了從實(shí)驗(yàn)路面載荷譜的采集、動力學(xué)模型的建立、發(fā)罩載荷的提取、發(fā)罩單位應(yīng)力求解到最終的疲勞壽命分析的流程。對發(fā)罩的疲勞壽命進(jìn)行分析，其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)樣車的路試疲勞耐久的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，從而驗(yàn)證了此仿真分析方法的可行性，為后續(xù)車門系統(tǒng)疲勞壽命分析提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)積累。

【關(guān)鍵詞】載荷譜采集;發(fā)罩;疲勞壽命分析;車門系統(tǒng)

【中圖分類號】U463.834 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0058-04

目前，國內(nèi)外對于門系統(tǒng)的分析評價(jià)主要是基于乘用車的剛度分析及評價(jià)指標(biāo)，而對于可靠性道路試驗(yàn)中的門系統(tǒng)或者門系統(tǒng)附帶的疲勞耐久性問題的分析與評價(jià)較少。因而在目前的產(chǎn)品開發(fā)前期，只有對門系統(tǒng)的剛度進(jìn)行一定的評價(jià)，而對于產(chǎn)品是否存在疲勞問題，大多數(shù)只能等試驗(yàn)結(jié)果。如果在疲勞耐久性路試中存在問題，僅利用基于靜態(tài)對比分析進(jìn)行解決，只能解決一部分問題，對于多數(shù)問題的真實(shí)原因并不清楚，另外一部分問題仍沒有很好的解決方案。

隨著客戶對汽車疲勞耐久性要求不斷提高和認(rèn)識的不斷深入，門系統(tǒng)或者門系統(tǒng)附帶的疲勞耐久性問題已經(jīng)占到車身耐久性問題的25%左右，因此迫切需要建立一套適合門系統(tǒng)疲勞的分析方法及流程規(guī)范，工程師能夠從被動解決已出現(xiàn)的問題變成主動在設(shè)計(jì)開發(fā)之初就較好地發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而縮短研發(fā)周期，降低時(shí)間成本。

本文就某車型的發(fā)罩，運(yùn)用Nastran計(jì)算發(fā)罩的靜態(tài)單位應(yīng)力;運(yùn)用Adams建立多體模型，結(jié)合采集到的路譜數(shù)據(jù)，迭代提取發(fā)罩與車身連接部分的動態(tài)載荷;發(fā)罩材料的S-N曲線等;采用Miner疲勞計(jì)算法則對發(fā)罩進(jìn)行疲勞壽命分析方法研究。

1 技術(shù)路線

針對發(fā)罩路試鈑金、焊點(diǎn)開裂的問題，主要原因有焊點(diǎn)質(zhì)量問題、車門裝配緊密問題和存在疲勞耐久問題。前兩者的問題需要在試驗(yàn)車發(fā)車前現(xiàn)場檢查確認(rèn)，并做好記錄。若是在排除前兩個(gè)因素的情況下，發(fā)罩仍存在開裂的現(xiàn)象，則與路試疲勞有關(guān)。我們通過研究車身疲勞分析的方法，利用實(shí)際道路路譜采集提取發(fā)罩上的動態(tài)載荷，與CAE疲勞壽命分析方法結(jié)合，可制定出發(fā)罩疲勞分析的技術(shù)路線。

2 道路路譜采集

道路路譜采集尤為重要，其數(shù)據(jù)的有效性直接關(guān)系到后續(xù)分析的結(jié)果。試驗(yàn)車在路試試驗(yàn)前，需經(jīng)過在前、后座位上用沙包進(jìn)行配重至滿載狀態(tài);在輪軸、大梁等需要測量的位置粘貼應(yīng)變片和安裝輪心六分力傳感器、加速度傳感器、拉線位移傳感器等，進(jìn)行采集通道的前期安裝工作，然后由專業(yè)駕駛員按照試驗(yàn)規(guī)范在試驗(yàn)道路駕駛，從而得到相應(yīng)的路譜數(shù)據(jù)。依據(jù)我們目前的技術(shù)手段，疲勞耐久性路面分可為低頻、中頻、高頻3個(gè)頻率的波段，其中包括典型的低頻扭曲路、高頻搓板路、中頻石塊路和比利時(shí)路等。采集通道包括車輪輪心六分力、輪心加速度、拉線位移、彈簧應(yīng)變等，這些通道在后續(xù)的模型迭代中均為重要的通道。在試驗(yàn)過程中，通道的完整性檢查需專業(yè)的人員現(xiàn)場監(jiān)測和檢查，若是發(fā)現(xiàn)有異樣需立即調(diào)整或重新跑存在異樣信號的路面。

對道路采集到的各路面損傷做統(tǒng)計(jì)，各路面損傷能量分布圖大致。低頻段扭曲路2的損傷較大，中頻段的石塊路1和比利時(shí)路1等路面的損傷較大，而高頻段的搓板路1和搓板路3的路面損傷較大。

采集得到的路譜數(shù)據(jù)需要通過有效性檢查，從而分割、選擇出有效性最佳的路面進(jìn)行迭代。有效性檢查一般包括功率譜檢查、雨流統(tǒng)計(jì)等手段。采集得到的搓板路輪心Z向力的時(shí)域信號和其功率譜，從時(shí)域信號和其功率譜圖可判斷此信號為有效路譜數(shù)據(jù)。

3 多體模型迭代提取發(fā)罩連接點(diǎn)載荷

3.1 多體動力學(xué)模型

多體動力學(xué)基礎(chǔ)模型包括前、后懸架，以及橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、副車架、車身等。橫向穩(wěn)定桿和副車架需要進(jìn)行柔性化。在本次研究的多體動力學(xué)模型中，需增加發(fā)罩與車身的連接部分，發(fā)罩（車門系統(tǒng)）進(jìn)行柔性化。此外，模型需要建立發(fā)罩連接點(diǎn)的載荷包括左、右鉸鏈點(diǎn)載荷和鎖扣點(diǎn)載荷的輸出通道，為提取動態(tài)載荷作準(zhǔn)備。前、后懸架模型需經(jīng)過K&C對標(biāo)之后方可搭建出整車模型。整車模型的重量需與試驗(yàn)車的總量相同，且4個(gè)輪心Z向軸荷調(diào)整到與實(shí)車在平路上一致。之后在多體模型中將4個(gè)輪心輸出通道的6個(gè)方向的力調(diào)零，輪心拉線位移及彈簧位移均調(diào)為零。此舉方便后續(xù)模型迭代過程中的數(shù)據(jù)對比。

3.2 迭代提取載荷

基于目前的迭代方法，以目標(biāo)信號迭代算法是整車道路模擬的核心內(nèi)容。本次研究采用試驗(yàn)路譜輪心六分力24個(gè)通道信號作為輸入，并以試驗(yàn)路譜輪心六分力24個(gè)通道信號+4個(gè)輪子拉線位移的4個(gè)通道信號作為主要迭代目標(biāo)信號，輪心Z向加速度、車身Z向加速度和彈簧力或者彈簧位移作為監(jiān)測信號。在多體模型中創(chuàng)建相應(yīng)的40個(gè)輸出通道，并以其作為目標(biāo)信號的響應(yīng)信號。當(dāng)?shù)憫?yīng)信號與目標(biāo)信號之間的損傷誤差達(dá)到允許范圍之內(nèi)時(shí)，其損傷比值趨于收斂狀態(tài)，則可停止下一步迭代，并取迭代最后一步的結(jié)果作為最終迭代結(jié)果。輪心拉線位移和輪心Z向力的迭代結(jié)果與對應(yīng)的實(shí)際路譜信號對標(biāo)，黑色為實(shí)際路譜信號，紅色為迭代結(jié)果。其時(shí)域和幅值都高度重合，對標(biāo)結(jié)果很好。

迭代完成后，從最終迭代結(jié)果中再分離提取出發(fā)罩左、右鉸鏈和鎖扣點(diǎn)的6個(gè)方向（Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz）的載荷，一共有18個(gè)通道。將這18個(gè)通道按照一定的順序排列好，以備后續(xù)疲勞分析使用。提取的左、右鉸鏈和鎖扣點(diǎn)的Z向上的載荷。

4 發(fā)罩單位應(yīng)力求解

由于造成發(fā)罩鈑金和焊點(diǎn)路試開裂的載荷遠(yuǎn)高于單次提取的載荷，因此利用發(fā)罩有限元模型基于準(zhǔn)靜態(tài)疊加法求得發(fā)罩在每一個(gè)單位靜載荷下的單位應(yīng)力，然后使用與之對應(yīng)的載荷譜時(shí)間歷程，兩者疊加后，再乘以路譜循環(huán)數(shù)，從而得到發(fā)罩在此路面的總損傷。而零部件的疲勞壽命取決于材料的力學(xué)性能和施加的應(yīng)力水平，因此采用S-N曲線方法來計(jì)算發(fā)罩的疲勞壽命。

在發(fā)罩有限元模型中，對發(fā)罩的左、右鉸鏈和鎖扣安裝點(diǎn)，分別加載6個(gè)單位載荷分量（Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz），對此有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到包含單位載荷下6個(gè)應(yīng)力分量的有限元計(jì)算結(jié)果文件（.op2文件）。讀取結(jié)果文件，得到發(fā)罩右鉸鏈區(qū)域（左右對稱，因此在此圖只列出右鉸鏈區(qū)域）和鎖扣區(qū)域單位應(yīng)力云圖，應(yīng)力主要分布在發(fā)罩鉸鏈安裝區(qū)域的拐角特征及焊點(diǎn)位置和鎖扣安裝區(qū)域的焊點(diǎn)位置，在此將應(yīng)力較大的點(diǎn)標(biāo)注為開裂的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

5 基于應(yīng)力影響系數(shù)及實(shí)際載荷的疲勞壽命分析

疲勞損傷是有限壽命設(shè)計(jì)的核心問題，而Miner法則的形式比較簡單，使用方便，因此在工程上應(yīng)用廣泛。疲勞的基本計(jì)算法則即為Miner法則，對每級載荷譜單獨(dú)作用時(shí)造成的損傷進(jìn)行累積，最后得到總損傷。該計(jì)算方法基于單位載荷的應(yīng)力影響系數(shù)與實(shí)際載荷的疊加。

Miner法則：

式中，l為交變載荷的應(yīng)力水平級數(shù)，ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

借助疲勞分析軟件，將發(fā)罩的有限元模型（.bdf文件）和單位應(yīng)力結(jié)果（.op2文件）通過接口讀入，再將發(fā)罩提取得到的實(shí)際單個(gè)時(shí)間歷程載荷譜導(dǎo)入，在此導(dǎo)入的載荷數(shù)據(jù)即為上述中提取的發(fā)罩的18個(gè)通道的載荷?；趹?yīng)力影響系數(shù)及實(shí)際載荷疲勞壽命分析的Miner法則，對發(fā)罩進(jìn)行疲勞壽命分析。分別將單位應(yīng)力結(jié)果文件和18個(gè)通道載荷譜激勵(lì)文件進(jìn)行定義關(guān)聯(lián)，再定義輸出文件類型。另外，在疲勞分析軟件中設(shè)置材料參數(shù)、影響因素等，便可計(jì)算模型的壽命、損傷。

材料的定義是重要部分，輸入材料的彈性模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)。在發(fā)罩有限元模型中要對各部件按照材料進(jìn)行分組，并在疲勞分析軟件中根據(jù)實(shí)際材料的抗拉和屈服值來創(chuàng)建材料的S-N曲線。也可以先創(chuàng)建好，導(dǎo)入使用即可。本次發(fā)罩使用材料主要是BUSD和BLD，試驗(yàn)得到BLD的S-N曲線。

分別計(jì)算各個(gè)路面下單個(gè)循環(huán)數(shù)量的疲勞損傷，取各損傷結(jié)果乘以其實(shí)際循環(huán)數(shù)量，并進(jìn)行線性疊加，便可得到發(fā)罩的總損傷量。發(fā)罩在搓板路下單個(gè)循環(huán)數(shù)量的疲勞仿真結(jié)果。圖上顯示損傷值最大出現(xiàn)在發(fā)罩右側(cè)鉸鏈附近的內(nèi)板上，此位置是由于內(nèi)板造型造成的應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)位置。仿真結(jié)果損傷值最大的位置與圖9中右圖的實(shí)車路試發(fā)罩開裂位置吻合，而此處的開裂較為嚴(yán)重，導(dǎo)致其附近兩個(gè)焊點(diǎn)開裂。從圖9左圖仿真損傷云圖中可看出開裂的兩個(gè)焊點(diǎn)的位置（圓圈位置）亦受到鈑金損傷最大的位置的影響，此仿真結(jié)果趨勢與實(shí)車路試結(jié)果一致。

6 結(jié)語

本文通過實(shí)車道路載荷譜采集到多體模型迭代提取得到發(fā)罩左、右鉸鏈和鎖扣的動態(tài)載荷，以及分析準(zhǔn)靜態(tài)單位載荷施加得到發(fā)罩單位載荷應(yīng)力結(jié)果。結(jié)合提取得到的動態(tài)載荷與發(fā)罩單位應(yīng)力結(jié)果對發(fā)罩的疲勞壽命進(jìn)行分析，走過了這一分析方法流程。從發(fā)罩疲勞仿真分析結(jié)果與實(shí)際路試結(jié)果對比圖可以看出，計(jì)算得到發(fā)罩損傷最大的位置與實(shí)際路試開裂的鈑金和焊點(diǎn)位置高度吻合，說明此疲勞仿真分析方法可行，對后續(xù)門蓋疲勞仿真分析具有技術(shù)指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]