基于實際路譜的車身焊點疲勞分析

0 引言

點焊由于自動化程度和生產效率極高，連接強度大，是車身制造中關鍵的連接技術之一，一般汽車車身的焊點個數(shù)高達5000個以上

。車身焊點的疲勞壽命直接關系整車可靠性和用戶體驗，因此，焊點的壽命分析越來越受到國內外各大汽車廠商的關注。印明勛通過Nastran軟件建立整車疲勞分析模型并采用慣性釋放法獲得單位載荷下的應力分布，將應力分布結果與試驗所測的六分力載荷譜輸入FEMFAT軟件進行疲勞損傷分析，預測了車身焊點壽命

；朱濤采用焊點疲勞壽命預估方法,結合應力計算,得出汽車實際載荷工況下的焊點疲勞損傷值

；譚東升在HyperMesh軟件中研究了焊點的幾種建模方法并做了比較分析,通過與試驗結果進行對標,為車身焊點的CAE建模方法提供了參考依據(jù)

。

本文采用六分力傳感器和PCB加速度傳感器，通過采集某自主型SUV在瓊海汽車試驗場的真實道路載荷數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)作為輸入，在整車多體動力學模型中進行載荷迭代分解，從而獲得車身各個接附點的載荷時間歷程，再通過建立的有限元分析模型和Ncode軟件對車身焊點進行了壽命分析。結果表明，該方法可獲得較為準確的車身焊點損傷值和壽命值，具有一定的工程意義。

1 路譜采集

載荷采集工作的核心是保證載荷譜的準確有效，載荷譜采集使用的道路規(guī)范是東風柳州汽車股份有限公司強化壞路規(guī)范(3萬公里)，在測試過程中，采用Kistler公司的六分力傳感器(分別安裝于4個輪轂內)、PCB加速度傳感器(共16個)等設備，在瓊海汽車實驗場12種實際路面(凸塊路、扭曲路、石板路、跳石路、水泥不平路、鵝卵石路、沙土路、鐵軌路、波形路、石塊路、搓板路)對該SUV進行數(shù)據(jù)進行采集，如圖1,2,3，4。根據(jù)實驗規(guī)范，平均在30-50km/h，過度路面上坡及轉彎處車速較低，如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集通道總共72個，采樣率500Hz，再進行上限80Hz的低通濾波，濾掉高頻干擾信號又不使有效信號失真。為了保證采集數(shù)據(jù)的樣本庫有效，每個工況樣本采集三組數(shù)據(jù)。要求三組數(shù)據(jù)采集到的路面特征基本一致，貼合度高，不能缺少特殊的路面載荷信息。數(shù)據(jù)中不能有明顯的漂移，過多的毛刺，失效的通道。最后從三組數(shù)據(jù)中選取一組車輛行駛速度跟實驗要求貼合最高的進行少量的漂移處理，去除尖峰和毛刺，形成實際路譜信號。以其中一個六分力傳感器采集到的信號為例，如圖6所示。

2 多體動力學載荷譜分解

采集到的路譜信號還不能直接用于車身焊點疲勞分析，需要將實際路譜載荷輸入整車多體動力學模型進行虛擬迭代分解，以獲得車身各接附點的載荷

，用于下一步的疲勞CAE分析。本文利用ADAMS/Car軟件，建立整車多體動力學模型(如圖7所示)。

將載荷譜輸入多體動力學模型進行反復迭代求解。為了方便后續(xù)的分析，將載荷分成12個典型工況。圖8為整車硬點分布情況，圖9為某接附點的載荷信號。

《方案》指出，到2018年，國家“十三五”規(guī)劃綱要明確提出的“寬帶網(wǎng)絡覆蓋90%以上的貧困村”目標提前完成；到2020年，全國12.29萬個建檔立卡貧困村寬帶網(wǎng)絡覆蓋比例超過98%。保障建檔立卡貧困人口方便快捷接入高速、低成本的網(wǎng)絡服務，保障各類網(wǎng)絡應用基本網(wǎng)絡需求，更多建檔立卡貧困人口都有機會通過農村電商、遠程教育、遠程醫(yī)療等享受優(yōu)質公共服務、實現(xiàn)家庭脫貧，高速寬帶網(wǎng)絡助力脫貧攻堅的能力顯著增強。

3 焊點疲勞分析

3.1 車身有限元模型建立

為了減少疲勞分析的誤差，車身CAE模型在建立時，需將門蓋、座椅做出FE模型并調整材料密度，將配重調至總成實際重量。同時還需要進行備胎、燃油箱等隨車附件的配重， 乘員重量配重按75kg/人計算，5座車的乘員總重量為(75*5)kg 。如圖10所示。

(2)單元的雅克比值介于0.6和0.7之間的比例需小于1%。

(1)模型中絕大部分的單元都應該是四邊形殼單元，其中三角型單元比例控制在5%以內。

圖12分該自主SUV整車焊點壽命云圖

為提高計算的準確度,整個車身CAE模型應該滿足如下要求：

采用線性疊加法進行疲勞計算時，首先利用慣性釋放法得到車身硬點各方向上單位載荷的結構應力響應，然后將車身硬點的動態(tài)載荷與單位載荷下的車身結構應力線性疊加，最后得到車身各焊點的應力時間歷程，用于焊點結構疲勞壽命預測。該方法是疲勞計算的一種可靠的求解方法，能夠大大縮減計算時間，保證足夠的計算精度，且操作簡便快捷。

整個有限元模型節(jié)點數(shù) 783351,單元總數(shù) 732245,焊點單元總數(shù)為6932。

3.2 焊點CAE模型及焊點力計算

Hypermesh軟件提供多種焊點單元的建模方法

，為了保證分析精度，本文采用剛性梁單元(Cbar)進行模擬(圖11)，通過CAE計算出梁單元的截面力和力矩，同時計算出焊點局部結構的名義應力。

利用中心加載圓盤模型計算出焊核周邊板材局部結構應力。該局部名義應力

(

)和

(

)表示為焊點圓周角

的函數(shù)，通過臨界平面法確定失效方向，將臨界平面上的正應力作為損傷參數(shù)，計算焊點的疲勞壽命

。

(

)=

(

cos

+

sin

)

(1)

(

)=

(

sin

-

cos

)+

(2)

近期，國家網(wǎng)信辦會同有關部門，針對自媒體賬號存在的一系列亂象問題，開展了集中清理整治專項行動。專項行動目前已依法依規(guī)全網(wǎng)處置“唐納德說”“傅首爾”“紫竹張先生”“有束光”“萬能福利吧”等9800多個自媒體賬號。

3.3 結構應力響應計算

獲取結構應力響應通常有三種方法：準靜態(tài)疊加法、瞬態(tài)法和模態(tài)疊加法

。其中，準靜態(tài)疊加法是將結構在單位靜載荷作用下的應力/應變狀態(tài)與施加在部件邊界的動態(tài)載荷進行線性疊加，得到結構的應力/應變時間歷程。

其中，

、

、

、

分別為焊點局部坐標系的力和力矩。

為最大彎曲正應力，

為最大剪應力分量，

為梁單元的拉伸應力。

根據(jù)準靜態(tài)疊加法，將單位載荷下的應力張量與相關的邊界載荷歷程進行線性疊加可得到結構隨時間變化的應力時間歷程。線性疊加的理論公式為：

(3)

式中：(?

)

、(?

)

、(?

)

表示單元局部坐標系下對應于第

通道載荷

(

)的應力影響系數(shù)，

為通道數(shù)號，

為總載荷通道數(shù)。

(3)重要區(qū)域和零部件網(wǎng)格雅克比值一定不能小于0.7，網(wǎng)格尺寸最小不能小于5mm，最大不能超過14mm，關鍵區(qū)域的網(wǎng)格7-12mm。

3.4 焊點疲勞分析

根據(jù)Miner理論，疲勞損傷是可以積累的，當損傷值

大于1時，表明發(fā)生疲勞失效，即：

(3)

其中

和

分別表示第

級載荷下的循環(huán)次數(shù)和疲勞壽命值。為了對應企業(yè)標準，本文首先計算SUV車型在瓊海試驗場跑一圈(5公里，包含12個典型工況)的車身焊點疲勞損傷值，再通過Ncode軟件的工況組合方式計算出3萬公里(6000圈)的總損傷值，取倒數(shù)即可得到壽命值。為了計算可靠安全，本文取安全系數(shù)為3，即當焊點壽命小于3時，認為焊點發(fā)生了疲勞破壞。

本研究利用快速窖泥質量評價方法快速對四川某酒廠不同年份的窖泥進行了評分，結果基本與該廠的實際生產狀況一致。未來工作將進一步對窖泥質量相關指標進行篩選，探究與窖泥感官指標相關的實驗參數(shù)，完善評分體系，使其更加客觀、準確。

3.5 焊點疲勞結果分析

在諸城市龍都街道大源社區(qū)，集林木種苗栽植、綠化工程施工、現(xiàn)代林業(yè)、旅游觀光于一體的生態(tài)園林公司——大源園林生態(tài)園，現(xiàn)已建成7200多畝。該項目是由山東大源建設集團投資5億元，與大黑龍溝等6個自然村聯(lián)合，采用“企業(yè)+社區(qū)+合作社+農戶”的模式規(guī)劃建設，整體占地10000畝。目前，該園區(qū)可提供60多個品種的瓜果采摘，帶動當?shù)?00多名老百姓就業(yè)，全年約接待游客20萬人次。讓林區(qū)變景區(qū)、田園變公園，農產品變旅游商品，大源園林生態(tài)園實現(xiàn)了園區(qū)旅游收益和農戶采摘收益的“雙豐收”，構建起“企業(yè)+農戶”“林業(yè)+旅游”和諧發(fā)展的新局面。

直立仰頭試驗及手法復位對急性頸源性耳鳴診治的療效分析（張家鵬 郭億蓮 陳世忠 蘇健 盧標清 劉婷）4∶295

根據(jù)焊點疲勞分析結果，壽命不足的焊點主要存在于左/右后門鎖扣安裝加強板區(qū)域和前側圍區(qū)域，這些區(qū)域的焊點壽命不滿足目標，根據(jù)實際強化路試測試，發(fā)現(xiàn)確實出現(xiàn)了焊點開裂的現(xiàn)象，與CAE計算結果十分吻合。通過相應的優(yōu)化后即可滿足疲勞壽命的要求。

以補腎強腰、活血化淤、舒經(jīng)通絡、理筋整復為治則,采用紅花、地龍、全蝎、五加皮、毛姜、獨活、乳香等純中藥組方 (國家發(fā)明專利號:ZL 01 1 15142.0)內服,同時結合中醫(yī)手法整復治療腰椎間盤突出癥,累計治療患者達1860人,總有效率99.8%。本法具有治愈率高、恢復快、復發(fā)率低、簡便易行的特點,值得臨床推廣使用。

(1)左/右后門鎖扣安裝加強板區(qū)域存在多個焊點疲勞壽命小于安全值3(如圖13)，最小為0.26，不滿足疲勞壽命要求。優(yōu)化方案是在該處增加結構膠，用以分散焊點受力。通過分析，優(yōu)化方案滿足疲勞壽命要求(如圖14)。

（4）實驗只運用酸雨配置、種子萌發(fā)、實驗記錄等簡單的知識和技能，沒有充分利用已有的知識和實驗技能——“細胞是生物體結構和功能的基本單位”和“制作并用顯微鏡觀察植物細胞的臨時裝片”，引導學生從微觀層面（細胞這個結構層次）探究酸雨對生物的影響。

左/右側圍搭接區(qū)域焊點疲勞壽命存在多個焊點壽命值小于3(如圖15)，最小值為0.3，不滿足疲勞壽命要求。在實車30000公里強化路試測試中，該處確實出現(xiàn)了焊點脫落及周邊鈑金開裂的現(xiàn)象。優(yōu)化方案是在該處增加內部搭接結構，通過分析，優(yōu)化后的結構滿足焊點疲勞壽命要求(如圖16)。

4 結束語

基于瓊海汽車試驗場的實際路譜，結合多體動力學分析技術、CAE分析技術、疲勞分析技術，對某自主 SUV 車型進行了車身焊點進行疲勞分析，對比強化試驗與分析結果可知，焊點疲勞分析結果與試驗開裂位置基本一致。通過改進車身結構，最終解決耐久試驗中的焊點開裂問題，節(jié)省了開發(fā)周期，保證產品的順利投產。

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