基于道路載荷譜的車身焊點疲勞壽命分析

于保君 張雨 李鼎 楊少明 杜錚

摘要： 針對目前汽車焊點疲勞分析方法精度低、建模復雜等問題，以某自主SUV車身焊點為研究對象，采集道路載荷譜，通過載荷虛擬迭代得到底盤與車身連接點的載荷。研究結(jié)果表明，對車身焊點分別使用基于力（載荷）和應(yīng)力的疲勞分析，可以準確預測試驗樣車焊點開裂位置，縮短焊點疲勞分析周期。改進后的樣車順利通過耐久試驗場驗證。

關(guān)鍵詞： 焊點;白車身;載荷譜;虛擬迭代;疲勞

Abstract： As to the problems of low accuracy and modeling complexity of current methods for vehicle welding joint fatigue analysis， taking the? welding joints of an independent SUV body as the research object， the road load spectrum is collected， and then the loads of connection points between the chassis and body are obtained by load virtual iteration. The results show that the fatigue analysis of vehicle body welding joints based on force（load） and stress can accurately predict the locations of the welding joint cracks of the test vehicle， and the fatigue analysis cycle of the welding joints can be shorten. The improved test vehicle can pass the verification of durability test field successfully.

Key words： welding joint;body in white;load spectrum;virtual iteration;fatigue

0 引 言

電阻點焊以高效率、低成本等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，是車身裝配制造關(guān)鍵技術(shù)之一。通常，汽車白車身有5 000～7 000個焊點[12]，這些焊點直接影響車身結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性。近年來，在汽車耐久性能分析中，焊點疲勞分析技術(shù)應(yīng)用越來越多。目前，焊點疲勞分析主要有基于力（載荷）和應(yīng)力2種方法：基于力的疲勞分析方法不需要更改焊點網(wǎng)格，簡單快速但精度低;基于應(yīng)力的焊點疲勞分析方法需要將焊點局部細化，精度高但建模復雜。龍海強等[3]將焊點簡化為BAR單元，利用隨機載荷信號和基于力的方法對焊點進行疲勞分析。朱濤等[4]和杜中哲等[5]將焊點簡化為梁單元，利用隨機載荷進行焊點疲勞分析。李薇等[6]研究基于力的疲勞分析方法、主SN曲線法，以及兩者相結(jié)合的方法，評估各種焊點疲勞分析方法的優(yōu)點和缺點。

在現(xiàn)有研究中，利用實測載荷譜聯(lián)合基于力與應(yīng)力進行焊點疲勞分析的文獻較少。本文基于某自主SUV車型實測道路載荷譜，經(jīng)過載荷虛擬迭代，得到車身與底盤連接點實際載荷。首先，利用基于力的焊點疲勞分析方法，找出車身焊點中危險焊點位置;然后，將焊點網(wǎng)格細化，進行基于應(yīng)力的焊點疲勞分析。車身焊點分析流程見圖1。該流程可以縮短分析周期，并且能夠準確預測道路試驗車輛的焊點開裂位置。

1 道路載荷譜采集

汽車耐久試驗場是整車道路試驗的場所，也是車身焊點疲勞壽命分析中載荷的最初來源。按照公司承載系耐久試驗規(guī)范，采集某SUV樣車試驗場耐久路試驗的輪心六分力、輪心相對位移、車身加速度和懸架載荷監(jiān)控信號，采樣頻率為512 Hz，共43個通道，試驗樣車見圖2。耐久試驗場路面工況包括比利時路、卵石路、魚鱗坑路和鐵道路等15種路面。

2 載荷虛擬迭代

載荷虛擬迭代基本原理是把輪心六分力中的垂向力轉(zhuǎn)換成等效的輪心垂直位移作為輪軸激勵[78]，見圖3。使用位移激勵可以約束車輛垂直方向的運動，避免多體模型翻轉(zhuǎn)等問題，但是必須保證垂直位移激勵與測量得到的信號是等效的，即確保通過瞬態(tài)位移信號激勵得到的損傷分布與測量載荷信號激勵結(jié)果一致。

以六分力載荷信號作為輸入，以車身加速度信號、相對位移信號和懸架載荷信號作為監(jiān)控，搭建該車型的整車多體動力學模型，并進行載荷虛擬迭代。根據(jù)時域信號、功率譜密度和累積損傷等目標值與響應(yīng)值對比，評價載荷虛擬迭代結(jié)果。比利時路工況左前車輪六分力z向載荷虛擬迭代結(jié)果見圖4～7，減震器處監(jiān)控信號對比結(jié)果見圖8。

虛擬迭代精度較高，滿足焊點疲勞分析的載荷輸入要求。

通過載荷虛擬迭代得到各路況底盤與車身連接點的道路載荷，該車型左、右兩側(cè)均有7個連接點，分別位于前減震器、后減震器、前副車架前部、后彈簧墊、前副車架后部、扭梁前部、發(fā)動機等處，共78個通道。2號比利時路工況車輛左前減震器載荷信號見圖9。

3 焊點疲勞分析

綜合考慮焊點疲勞分析的時間和精度。首先，利用基于力的焊點疲勞分析方法對白車身焊點進行分析，找出危險焊點;然后，將危險焊點進行局部細化，利用基于應(yīng)力的焊點疲勞分析方法得到準確的焊點疲勞分析結(jié)果。

3.1 疲勞分析模型

焊點疲勞分析采用全內(nèi)飾車身模型，以白車身有限元模型為基礎(chǔ)，簡化其他非結(jié)構(gòu)件。全內(nèi)飾車身模型的車輛總質(zhì)量、局部質(zhì)量分布和質(zhì)心位置與試驗車輛一致，以保證其與試驗車輛的動態(tài)效果一致。焊點采用CWELD單元進行模擬，得到的全內(nèi)飾車身模型見圖10。

3.2 基于力的焊點疲勞分析

將焊點熔核視為梁單元，以有限元法計算得到的梁單元截面力和力矩作為輸入，采用梁和薄板理論計算局部結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力。利用中心加載圓盤模型計算熔核周邊板材局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，見圖11，其中：Fx、Fz分別為x、z方向的力;My、Mz分別為y、z方向上的力矩;d為熔核直徑;D為圓盤直徑;r為計算點到熔核中心的距離。

焊點熔核的局部名義應(yīng)力表示為焊點圓周角θ的函數(shù)，先求得局部結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力τ（θ）和σ（θ）后，再利用臨界平面法確定失效方向，最后將臨界平面上的正應(yīng)力作為損傷參數(shù)，用于計算焊點的疲勞壽命。

式中：Fy為局部坐標系y方向上的力;Mx為局部坐標系x方向上的力矩;σn為梁截面的拉伸正應(yīng)力;σb，max（）為最大彎曲正應(yīng)力分量;τmax（）為最大剪切應(yīng)力分量。

本文利用Virtual.Lab軟件進行焊點疲勞分析?；诹Φ暮更c疲勞壽命分析結(jié)果見圖12，焊點損傷主要發(fā)生在后輪罩撐板附近。焊點損傷最大的10個位置的疲勞損傷見表2，最大損傷在輪罩下?lián)伟妩c1處，損傷值為6.9。

3.3 基于應(yīng)力的焊點疲勞分析

篩選損傷值大于1的位置，對相應(yīng)位置的焊點進行精細化處理。先在焊點的焊核位置進行蜘蛛網(wǎng)格劃分，要求焊核周圍有至少1層QUAD單元，然后通過RBE2單元連接焊核中心，2層鈑金之間通過RBE2單元連接模擬焊點，結(jié)果見圖13。

對損傷值大于1的焊點使用基于應(yīng)力的方法進行疲勞分析，結(jié)果有5個位置的焊點損傷值較大（超過0.5），其他位置損傷值較小，其中輪罩下?lián)伟鍏^(qū)域焊點疲勞分析結(jié)果見圖14，焊點損傷結(jié)果見表3。

4 路面損傷貢獻量分析

不同路面工況對輪罩下?lián)伟妩c1損傷的影響差別較大（見圖15），其中前5個影響較大的路面工況依次為2號比利時路、1號比利時路、小圓凸起路、大圓凸起路和2號卵石路。

5 分析與試驗結(jié)果對比

某自主SUV車型試驗樣車的第1輪道路耐久試驗結(jié)果見圖16，后輪罩左、右撐板處各有4個焊點開裂，與焊點疲勞分析得到的位置基本一致。

車輛通過隨機路面時，車身后洞口出現(xiàn)左右擺動現(xiàn)象，導致輪罩撐板上端與輪罩、撐板下端與地板撕扯。

輪罩下?lián)伟搴更c1處承受載荷最大，進而導致焊點開裂。經(jīng)多輪優(yōu)化，并將輪罩撐板由斜撐形式改為貼合形式，再次進行焊點疲勞分析，焊點最大損傷發(fā)生在側(cè)圍與地板搭接處，損傷值為0.1，滿足目標要求。改進后的輪罩撐板方案及其分析和驗證結(jié)果見圖17。該結(jié)構(gòu)通過第2輪道路耐久試驗驗證，焊點均未出現(xiàn)開裂問題。

6 結(jié)術(shù)語

基于實測道路載荷譜，對某自主SUV車型車身焊點進行基于力和應(yīng)力的焊點疲勞分析，可縮短分析周期，提高分析精度。對比耐久試驗與分析結(jié)果可知，焊點疲勞分析結(jié)果與試驗開裂位置基本一致。通過改進車身結(jié)構(gòu)，最終解決耐久試驗中的焊點開裂問題，保證產(chǎn)品的順利投產(chǎn)。

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（編輯 章夢）