基于Ncode 某電動SUV 車型車身疲勞仿真研究

楊飛，王子寧，吳澤勛，王德遠，王飛宇

（重慶睿藍汽車研究院有限公司，重慶 401122）

引言

汽車的耐久性能是現(xiàn)代車輛設計的一項重要指標[1]，會影響用戶的購車意向及行車安全，據(jù)統(tǒng)計，汽車80 %以上的零部件失效都屬于疲勞破壞。

傳統(tǒng)的汽車疲勞耐久性主要是通過試車場試驗、道路試驗以及臺架試驗等方法來進行預測[2]。但傳統(tǒng)的耐久試驗具有周期長、成本高的特點，試驗周期高達6 個月以上；試驗場的路面試驗至少也需要3 個月以上。而有限元仿真技術在縮短開發(fā)周期，減少試驗成本，提高市場競爭力方面發(fā)揮著巨大作用。

乘用車的車身作為汽車的重要承載結構件，在車輛的行進過程中容易受到路面不平的影響，從而產(chǎn)生交變應力，引起疲勞損傷，如果一輛車的車身耐久性達不到實際使用要求，損傷在服役期間累計到一定程度就會導致部件疲勞失效。本文輸入VPG 路譜載荷，模擬比利時路、溝區(qū)路、森林路、扭曲路等33 種常見特征路面工況，對某電動SUV 車型車身疲勞進行仿真研究，主要涉及焊點、焊縫、鈑金疲勞分析及優(yōu)化過程,為前期的設計開發(fā)規(guī)避疲勞破壞風險。

1 疲勞累計損傷理論

Miner 法則是對疲勞耐久性能評價機械結構較早提出的一種方法。這一法則假定：當結構吸收的能量到達疲勞極限時，破壞就會發(fā)生。依此假設，結構在各種應力水平下的最大可循環(huán)次數(shù)在破壞前的不同載荷歷程中依次是N1，N2，N3…Ni，而實際在各種應力水平下的循環(huán)次數(shù)依次為n1，n2，n3…ni，則疲勞損傷表達式為[3]：

當D 為1 時，結構就會發(fā)生疲勞破壞。式（1）即為Miner 法則的線性疲勞累計損傷理論方程。

2 建立仿真模型

圖1 為車身疲勞仿真分析流程。首先利用前處理軟件（本次以ANSA 為例）對設計輸入的CAD 模型進行處理，建立CAE 有限元仿真模型，再進行加載設置，利用MSC.Nastran（SOL 101）對模型進行求解，計算得到強度分析應力結果；然后將強度結果導入nCode 疲勞分析軟件，對相關零部件的材料和疲勞參數(shù)進行設置，基于VPG 路譜載荷進行求解計算，得到疲勞損傷云圖。最后利用后處理軟件（本次以META 為例）進行疲勞損傷結果查看，依據(jù)目標值決定是否優(yōu)化。

圖1 車身疲勞仿真分析流程

2.1 強度模型搭建

分析用有限元模型應是滿載的車身狀態(tài)，包含TB、乘員和行李質量。如圖2 所示。

圖2 車身滿載模型

2.1.1 配重（乘員及行李箱）

乘員重量分配依據(jù)某企業(yè)試驗規(guī)范，采用RBE3+mass 的方式模擬。其中座椅58 kg，地板8 kg，左右腳踩位置各4 kg。

乘員58 kg：分配在座椅R 點；乘員腳步4 kg 和行李40 kg：分配在RBE3 自動耦合中心點，mass 單元模擬重量。RBE3 抓取位置及范圍大小如圖3 所示，腳踩位置為乘員標準坐姿狀態(tài)。

圖3 rbe3 抓取區(qū)域

注意：RBE3 抓取盡量錯開焊點位置，左右側連接范圍對稱最佳（根據(jù)實際結構）。同一款車型需要保持相同連接位置，以減少模型處理不同帶來的結果差異。

行李重量用mass 單元模擬，通過RBE3 單元連接在后地板合適區(qū)域；

備胎（如果配備），備胎用RBE2 連接彈簧；

行李箱配置氣瓶/隨車工具等，根據(jù)實際情況定義質心和質量；前艙配置行李箱，也需要根據(jù)設計質量配載；

行李RBE3 抓取位置依據(jù)行李箱實際情況，抓取行李箱蓋板與地板或備胎槽接觸的外邊緣。

表1 給出了乘員及行李箱配重表，由表可以看出，此SUV 車型是2 排5 座布局，前排配重66 kg+66 kg，后排配重66 kg+66 kg+66 kg（其中每個座椅：乘員58 kg+地板8 kg），行李箱是40 kg 重量。

表1 乘員及行李箱配重表

2.1.2 焊點模擬

依據(jù)某企業(yè)相關標準，采用統(tǒng)一焊點大小和基礎網(wǎng)格尺寸，檢查焊點RBE3 連接單元質量，如前后減震器座，流水槽和C 環(huán)等區(qū)域，RBE3 不能與其他連接單元共節(jié)點。ACM 焊點如圖4 所示。

圖4 焊點模型

2.1.3 焊縫建模及參數(shù)

車身焊縫用殼單元模擬，焊縫及熱影響區(qū)單元均要求用四邊形網(wǎng)格劃分，且單元長度要求（4~5）mm 左右，不允許有三角形單元出現(xiàn)；

焊縫單元法向一致向外（焊接工作側），角焊（垂直焊）焊接單元厚度為如圖5。搭接焊單元厚度為tw=2tmin，如圖6。 其中tw＞3 mm，tmin為兩板中較薄板的厚度，圖中t1和t2分別是兩個焊接板的厚度。

圖5 角焊（Fillet Weld)

圖6 搭接焊（Overlap Weld）

2.1.4 工況定義及原理

應用慣性釋放法，在前后副車架及前后減震器硬點位置分別加載XYZ 三個方向的單位力載荷，見圖7 所示。

圖7 車身單位力載荷示意圖

慣性釋放的原理是先計算不平衡外力作用下結構的運動（即加速度），通過靜、動力平衡的方法來構造一個自平衡體系。用有限元方法建立靜動力平衡方程：

式中:

{F}—所有節(jié)點分量組成的節(jié)點外載荷向量；

{δ}—所有節(jié)點加速度分量組成的節(jié)點加速度向量。

式中：

在實踐過程中會發(fā)現(xiàn)，按照教材中給出的試劑進行實驗，由于各種因素的影響，有時不能取得很好的實驗效果。例如，在“制作并觀察植物細胞有絲分裂的臨時裝片”的實驗中，鹽酸能使植物細胞之間的果膠質層松散，使根尖細胞彼此容易分開，教材中使用體積分數(shù)為10%的鹽酸溶液解離10 min，耗時較長。適當增加鹽酸溶液的濃度可以縮短解離的時間，如改用體積分數(shù)為20%的鹽酸溶液，解離僅需5 min左右即可完成，細胞的分散程度也可以達到理想的效果。

N—形狀矩陣；

ρ—密度；

Ω—體積分。

3 疲勞分析及計算結果

基于強度分析的應力結果，鈑金件的E-N曲線，焊點材料的S-N 曲線，焊縫材料的S-N曲線，各接口點的載荷譜（如圖8）輸入到疲勞分析軟件nCode 中，搭建分析五框圖（如圖9），并定義材料、設置疲勞參數(shù)，計算得到疲勞損傷值的云圖。

圖8 VPG 載荷譜

圖9 疲勞分析框圖

圖10 評價標準

3.1 評價標準

鈑金: 依據(jù)某企業(yè)要求，除washer 附近單元外，所有鈑金損傷≤1.0，對超出部分需要進行優(yōu)化；同時需要重點關注關鍵位置，例如減震器安裝點周圍的鈑金結構；

焊點：依據(jù)某企業(yè)要求，所有焊點損傷應≤1.0，對于部分存在結構膠的區(qū)域，損傷可≤2.0。對于關鍵位置，如減震器周圍，對損傷＜1.0 的也需要進一步分析是否需要優(yōu)化以降低焊點開裂的風險；

3.2 計算結果

由圖11 可以看出，后圍板搭接處鈑金損傷值過大（大于1）,不滿足某企業(yè)目標要求，存在開裂風險；側圍后端與后地板連接板搭接焊點損傷大于某企業(yè)目標值，不滿足要求，需要對以上結構進行優(yōu)化，以降低該處疲勞破壞風險。

圖11 損傷云圖

4 結構優(yōu)化

汽車的研發(fā)過程，就是一個不斷進行設計優(yōu)化的完善過程，來使得車輛滿足一定的性能要求，對零部件的優(yōu)化的常用手段有材料的優(yōu)化和結構優(yōu)化，在設計初期，一般通過對零件的結構進行優(yōu)化來規(guī)避一定的設計缺陷和風險。以下就是對鈑金和焊點的結構進行優(yōu)化來避免疲勞破壞的風險。

鈑金：通過應變能分析，發(fā)現(xiàn)后圍板搭接處由于結構的突變導致局部應變能過大，此位置處的應力集中也比較明顯，故此處特征抹平，減少扭轉工況下的應力集中。如圖12 所示。

圖12 鈑金優(yōu)化

焊點：如圖13 白色邊框，延長輪罩外板后端，增加搭接面，同時兩層焊改為三層焊，增加一個焊點，以增加傳力路徑，改變受力方式，分散焊點應力集中。

圖13 焊點優(yōu)化

經(jīng)過以上優(yōu)化，鈑金損傷值由3.64 下降為0.076，損傷值降低48 倍，遠小于某企業(yè)目標值1.0；焊點損傷值由0.7 下降為0.88，損傷值降低1.6 倍，小于目標值1.0，滿足耐久性能要求。

5 總結

本文基于nCode 疲勞分析軟件，對某SUV 車身疲勞進行分析研究，詳細描述了從建立有限元仿真模型到疲勞分析的整個過程。

1）該分析采用多體動力學提取的VPG 載荷譜，經(jīng)相關工程驗證與實車試驗實測路譜一致性較好；

2）為了解決某SUV 車身鈑金和焊點疲勞損傷值過大問題，本文提出了一種改進的優(yōu)化方案，使得鈑金損傷降低48 倍，焊點損傷降低1.6 倍，滿足某企業(yè)目標要求，有效解決了設計前期的疲勞問題，規(guī)避了疲勞開裂的風險；

3）結構優(yōu)化是常用的優(yōu)化手段，可為車身設計初期提供借鑒。