基于虛擬迭代技術(shù)的某純電輕卡駕駛室疲勞壽命分析

劉紅梅，王中昊，張廷波

基于虛擬迭代技術(shù)的某純電輕卡駕駛室疲勞壽命分析

劉紅梅，王中昊，張廷波

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228）

針對(duì)車輛耐久試驗(yàn)中鈑金及焊點(diǎn)開裂問題，通過采集道路試驗(yàn)隨機(jī)載荷譜，基于虛擬迭代方法提取了某純電輕卡車型駕駛室疲勞載荷?；诘d荷完成了駕駛室鈑金及焊點(diǎn)疲勞壽命分析，有限元分析結(jié)果與實(shí)車路試一致，說明了該方法的有效性，并形成一套可操作的技術(shù)文件，為后續(xù)車型開發(fā)提供技術(shù)積累。針對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行鈑金及焊點(diǎn)優(yōu)化，有效提升產(chǎn)品耐久性能。

駕駛室；虛擬迭代；疲勞分析；載荷譜；純電輕卡

駕駛室作為純電輕卡車型的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，是駕駛員和乘員工作的地方，關(guān)系到駕駛員的安全、工作效率和健康[1]。因此，如何設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)可靠的駕駛室，成為了整車開發(fā)過程中重要的一環(huán)。

近些年來，計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用于車輛開發(fā)過程中，與整車道路試驗(yàn)相結(jié)合以實(shí)測(cè)道路譜載荷仿真技術(shù)正成為汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的重要途經(jīng)[2]，如何在樣車初期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)駕駛室的結(jié)構(gòu)耐久性能，成為了CAE工程師的重中之重。目前有多種分析方法對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，精度較高的方法為虛擬迭代+有限元分析。本文基于虛擬迭代獲取的載荷，對(duì)駕駛室耐久性能進(jìn)行了分析，得出駕駛室結(jié)構(gòu)的壽命分布，這對(duì)駕駛室前期設(shè)計(jì)及開發(fā)具有較好的指導(dǎo)意義，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1 多體動(dòng)力學(xué)模型搭建

1.1 駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試

虛擬迭代方法是將道路試驗(yàn)和仿真結(jié)合起來的有效方法，其準(zhǔn)確性依賴于模型的準(zhǔn)確性。為了能準(zhǔn)確模擬實(shí)車狀態(tài)，需要對(duì)駕駛室及其懸置零部件性能進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖1 駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試

表1 駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試結(jié)果

質(zhì)量/kg轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2) IxxIyyIzzIxyIyzIxz 437355289418-122133

1.2 翻轉(zhuǎn)助力模型搭建

為了維修方便，一般駕駛室都有翻轉(zhuǎn)功能，純電輕卡駕駛室的翻轉(zhuǎn)通過助力的方式實(shí)現(xiàn)，即在前懸置處設(shè)置一根助力扭桿，在扭桿安裝時(shí)，使扭桿扭轉(zhuǎn)一定角度，保證在翻轉(zhuǎn)駕駛室時(shí)，提供一定助力，使得操作人員翻轉(zhuǎn)手力變小。實(shí)車中，扭桿一端通過花鍵與外套筒連接，進(jìn)而連接在車身上。另一端連接在車架上，如圖2所示。

圖2 扭桿示意圖

因此，將扭桿簡(jiǎn)化為Nonlinear Beam，一端通過traslational運(yùn)動(dòng)副與車身連接，另一端施加初始扭轉(zhuǎn)角度，如圖3和圖4所示。

圖3 扭桿預(yù)加載單元

圖4 扭桿預(yù)加載單元設(shè)置

1.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ痛罱?/h3>

Adams/Car中，物體分為剛性體和柔性體。駕駛室懸置系統(tǒng)虛擬迭代模型包括剛性駕駛室、一段柔性車架、橡膠懸置簡(jiǎn)化為bushing單元、扭桿簡(jiǎn)化為Nonlinear beam單元，建立虛擬迭代模型。

2 虛擬迭代

2.1 載荷譜采集

駕駛室試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集的主要目的是獲取駕駛室懸置上下的加速度信息，為虛擬迭代提供目標(biāo)信號(hào)。本次采集在襄陽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)路面包括：石塊路、長(zhǎng)波路、直搓板路、斜搓板路和扭曲路，試驗(yàn)信息如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況信息

序號(hào)EVENT路面車速/(km/h) 1EVENT1石塊路40 2EVENT2長(zhǎng)波路60 3EVENT3直搓板路60 4EVENT4斜搓板路60 5EVENT5扭曲路10

2.2 虛擬迭代

虛擬迭代設(shè)置7個(gè)激勵(lì)通道，分別為4個(gè)向，2個(gè)向和1個(gè)向。其中四個(gè)向分別設(shè)置在前板簧前卷耳左右側(cè)，前板簧吊耳與車架連接點(diǎn)左右側(cè)，2個(gè)向分別設(shè)置在前板簧前卷耳左側(cè)和前板簧吊耳與車架連接點(diǎn)左側(cè)；1個(gè)向設(shè)置在第三橫梁中間，如圖5所示。

圖5 虛擬迭代模型

2.3 載荷譜采集

經(jīng)過迭代所有路面的相對(duì)損傷值比如表3所示，所有關(guān)注通道的相對(duì)損傷值比均位于0.5～2之間，滿足迭代要求。

表3 相對(duì)損傷值比

扭曲路比利時(shí)路直搓板路斜搓板路長(zhǎng)波路 車架側(cè)左前0.640.830.770.911.49 車架側(cè)右前0.810.860.870.911.48 車架側(cè)左右1.60.951.020.871.37 車架側(cè)右后1.090.990.781.61.58 駕駛室側(cè)左前0.731.611.11.220.99 駕駛室側(cè)右前0.671.181.310.810.9 駕駛室側(cè)左后0.890.630.711.471.02 駕駛室側(cè)右后0.820.581.170.960.84

圖6展示了石塊路的仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比結(jié)果。從曲線看到，仿真加速度與測(cè)試加速度結(jié)果時(shí)域接近，且相關(guān)性較好。

3 疲勞分析

基于虛擬迭代得到的載荷，對(duì)駕駛室白車身進(jìn)行疲勞分析。

3.1 車身有限元模型建立

對(duì)車身三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化分，主要網(wǎng)格尺寸為8 mm，局部細(xì)化為3 mm。焊點(diǎn)單元采用rbe3+ hexa+rbe3形式模擬，考慮焊點(diǎn)疲勞的穩(wěn)健性，焊點(diǎn)直徑為3.3 mm，焊點(diǎn)單元不允許與rbe2單元共節(jié)點(diǎn)，關(guān)注區(qū)域的焊點(diǎn)不允許連接圓角等特征，最終建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 駕駛室有限元模型

3.2 車身模態(tài)分析

模態(tài)分析是彈性結(jié)構(gòu)的固有屬性，通過模態(tài)分析可以識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部分進(jìn)行預(yù)判。本車身骨架主要材料采用DC系列優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，總質(zhì)量為136 kg，其一階扭轉(zhuǎn)頻率為26.6 Hz，一階彎曲36.2 Hz，分別大于競(jìng)品目標(biāo)值25 Hz、34 Hz，滿足目標(biāo)要求，如圖8所示。

3.3 疲勞壽命分析

利用虛擬迭代得到的載荷，對(duì)某純電輕卡駕駛室進(jìn)行疲勞分析，其中焊點(diǎn)疲勞分析基于力法[4]開展，有限元輸出焊點(diǎn)單元力。將分析結(jié)果與實(shí)車開裂問題進(jìn)行對(duì)比，駕駛室開裂如圖9所示，仿真對(duì)比如圖10所示。從對(duì)比看到，仿真預(yù)測(cè)的與實(shí)車路試開裂問題一致，說明虛擬迭代+有限元分析方法，能有效預(yù)測(cè)駕駛室開裂問題，是駕駛室開發(fā)過程中規(guī)避耐久風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

圖9 駕駛室開裂圖片

圖10 仿真對(duì)比圖片

4 結(jié)論

本文基于虛擬迭代方法，提取了駕駛室的疲勞載荷，并預(yù)測(cè)了駕駛室本體及焊點(diǎn)的開裂，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)車一致，基于虛擬迭代技術(shù)的白車身鈑金及焊點(diǎn)疲勞分析方法是駕駛室開發(fā)過程中有效方法，通過風(fēng)險(xiǎn)位置增加鈑金厚度及優(yōu)化焊點(diǎn)布局等方法規(guī)避前期設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加快了設(shè)計(jì)步伐[5]，提高產(chǎn)品的耐久性能。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 龍海強(qiáng),胡玉梅,劉波,等.基于隨機(jī)載荷的白車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].汽車工程,2016,38(8):1006-1010.

[3] 張少輝.基于虛擬迭代的某商用車駕駛室疲勞壽命分析研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017.

[4] NAKAHARA Y,TAKAHASHI M,KAWAMOTO A,et al.Method of Fatigue Life Estimation for Spot-welded Structures[J].SAE Technical Paper:2000-01-0779.

[5] 趙世宜.基于FEMFAT的白車身疲勞分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2014,39(4):84-86.

Fatigue Analysis of a Pure Electric Light Truck Cab Based on Virtual Iteration Technology

LIU Hongmei, WANG Zhonghao, ZHANG Tingbo

( Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicles Group Company Limited, Hangzhou 311228, China )

In order to solve the sheet metal and solder joint cracking problem during the vehicle endurance test, this paper collects the road test of random load spectrum, based on the virtual iterative method, the fatigue load of the cab of a light truck is extracted, and the fatigue life of the cab is analyzed using the iterative load. The finite element analysis results are consistent with the results of the road test, which provide an effective forecasting method of the virtual iterative method, and form a set of operable technical documents for the development of subsequent models to provide technical accumulation. In view of the existing structure risks and solder joint optimization, this technique can improve product durability performance effectively.

Cab;Virtual iteration;Fatigue analysis;Load spectrum; Pure electric light truck

U462

A

1671-7988(2023)17-85-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.015

劉紅梅（1981－），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎囆阅芙Y(jié)構(gòu)耐久仿真分析，E-mail:liuhm_2012@163.com。