基于路譜的汽車關(guān)鍵零部件疲勞分析研究綜述

摘 要：本文總結(jié)了基于路譜的汽車關(guān)鍵零部件疲勞分析研究進展。分析流程主要分為六個部分：實車試驗方法、試驗數(shù)據(jù)處理、有限元建模、柔性多體建模、載荷譜提取和部件疲勞分析。歸納總結(jié)提取載荷譜的方法：Adams與Femfat Lab聯(lián)合仿真的虛擬迭代法、低成本的約束加載法以及載荷譜編制法。并對名義應(yīng)力法、應(yīng)力應(yīng)變法、臨界面法等多種疲勞分析方法進行梳理與歸納總結(jié)。最后提出當(dāng)下這一板塊的研究難點，對進一步的研究方向進行討論與評述，為汽車零部件疲勞分析板塊的技術(shù)人員提供一定的指導(dǎo)與幫助。

關(guān)鍵詞：路譜 汽車零部件 實車試驗 有限元建模 虛擬迭代

汽車關(guān)鍵零部件的疲勞壽命對車企和消費者至關(guān)重要。為滿足環(huán)保節(jié)能和應(yīng)對油價上漲，汽車廠商追求輕量化設(shè)計，但輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在相同載荷下應(yīng)力增大，長期使用更易發(fā)生疲勞損傷[1]。

本文總結(jié)了結(jié)合虛擬仿真與實車道路試驗的零部件疲勞壽命分析方法。傳統(tǒng)方法周期長、成本高，因此虛擬仿真技術(shù)備受青睞[2]。該方法的分析流程包括以下五個主要步驟。

1 試驗場載荷采集

對樣車進行實車道路載荷數(shù)據(jù)采集實驗，校核動力學(xué)模型和進行疲勞分析。試驗采集的數(shù)據(jù)存在誤差，需進一步處理。設(shè)定采集目標(biāo)和監(jiān)測信號，選擇強化壞路作為測試環(huán)境，記錄樣車不同車速下的里程數(shù)據(jù)，以模擬實車行駛并分析零件損傷。

試驗數(shù)據(jù)需經(jīng)過工況分割、檢查、去毛刺、修正漂移、濾波和重采樣等處理，以消除路面沖擊振動、溫度變化及電波干擾等影響[9]。試驗信號常出現(xiàn)毛刺、漂移、雜波等問題，導(dǎo)致采集誤差大，影響后期仿真和疲勞分析精度[4]，信號預(yù)處理旨在減少這些誤差，提高精度[6]。對處理后的數(shù)據(jù)進行重采樣，目的是縮減數(shù)據(jù)，提高計算效率。其中劉俊[7]等在Femfat Lab軟件中進行數(shù)據(jù)的重采樣和濾波處理，在nCode/Glyphworks軟件中對信號的零漂、尖峰進行修正。

2 有限元模型建立與分析

采用有限元法能分析零部件隨機振動響應(yīng)變形和應(yīng)力變化，能有效幫助研究疲勞損傷和壽命預(yù)測[10]。

汽車零部件有限元建模時，根據(jù)幾何形狀復(fù)雜程度選擇不同單元進行建模，以提高有限元分析效率：復(fù)雜部件用二維或三維單元，簡單部件或連接用一維單元。如車架用二維單元[7]，駕駛室用翻轉(zhuǎn)助力模型[11]，鈑金部件用B-T殼單元，連接用1D、Beam或ACM單元。此外，車架的橫、縱梁也常采用二維單元模擬[8]。（圖1，圖2）

對線彈性小變形的車身零件，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析，先施加單位激勵計算響應(yīng)，再按載荷譜線性疊加[2]。若不使用固定約束，可采用慣性釋放法限定車身剛體位移[2，8]。靜力分析方面，常使用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格和進行有限元計算。對于一些車輛零部件的疲勞和動力學(xué)分析，常使用Abaqus軟件進行網(wǎng)格劃分和有限元計算，比如不同工況下復(fù)合材料板簧[13]、汽車控制臂橡膠襯套[14]等部件的分析。（圖3，圖4）

3 剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)建模

建立整車剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型，可以幫助獲取精度較高的車輛懸架載荷譜。結(jié)合多體動力學(xué)模型進行部件疲勞分析，能預(yù)測部件疲勞發(fā)生的危險部位。

當(dāng)討論的零部件尺寸較小，可通過部件自由模態(tài)[15]試驗驗證模態(tài)分析的準(zhǔn)確性，如：對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進行了實體測試，采用彈性軟繩懸空吊起，運用單點激勵多點響應(yīng)方法測得固有頻率、振動形態(tài)和阻尼比，并與仿真結(jié)果對比，若前10階模態(tài)仿真誤差小于10%，則認(rèn)為有限元模態(tài)分析滿足誤差要求[15]。

將有限元模型的MNF中性文件導(dǎo)入Adams/Car，得到部件柔性體模型，構(gòu)建包括懸架、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向、車身、動力、傳感器和輪胎[3]等子系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型[4]。

載荷譜試驗前需重測樣車底盤參數(shù)及質(zhì)心坐標(biāo)。模型校驗可通過對比懸架Kamp;C仿真與測試數(shù)據(jù)[3]，或?qū)⒘至π盘栞斎胝噭側(cè)狁詈夏Ｐ椭心M分析，對比加速度頻譜與實地測量數(shù)據(jù)來驗證模型的準(zhǔn)確性。

4 載荷譜提取

4.1 虛擬迭代法

虛擬迭代法可通過結(jié)合Adams和Femfat.Lab[16]，Adams輸出的整車參數(shù)信息文件[4]，導(dǎo)入Femfat.Lab中并以實測加速度信號為迭代目標(biāo)，用白噪聲驅(qū)動模型獲取響應(yīng)，計算逆?zhèn)鬟f函數(shù)[12]。將輪心受力轉(zhuǎn)化為位移并綜合其他分力作為輸入信號，處理后可獲得時域、頻域和相對損傷值，與實測路譜數(shù)據(jù)對比，得出整車零部件載荷狀況[3]。

4.2 約束加載法

約束加載法則是將車身固定于地面，使減震器上支點對簧下部分的約束依然存在，仿真結(jié)果仍具有一定的適用性。該法具有易操作、計算效率高的優(yōu)點。在整車參數(shù)設(shè)定上，它與虛擬迭代法一致，但在輪心激勵上采用實測六分力信號[4]。

4.3 載荷譜編制法

載荷譜分級法：汽車底盤零件依據(jù)分級原則[17]通常將載荷譜塊按精度需求分為3級到8級[19]，進行載荷譜統(tǒng)計。當(dāng)試驗里程較短時，可使用載荷譜外推技術(shù)獲得耐久里程的當(dāng)量疲勞壽命，與載荷譜分級方法相比，結(jié)果相近誤差略大但可接受[18-19]。

5 零部件疲勞分析

S-N方法在車身疲勞分析中因技術(shù)成熟、材料完備、仿真高效而廣受歡迎，但其僅適用于高周疲勞。采用多軸疲勞預(yù)測中的臨界面法，可納入對低周疲勞的考慮，提高預(yù)測精度[2]。

高周疲勞使用應(yīng)力疲勞分析，適用于小載荷小應(yīng)力且構(gòu)件無塑性變形的情況；低周疲勞使用應(yīng)變疲勞分析，應(yīng)用于大載荷大應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)件塑性變形的情況。車架的疲勞分析常采用應(yīng)變疲勞法，需依賴材料的ε-Ｎ曲線，可在nCode軟件中實施[8]。

通過確定疲勞損傷危險點，利用最小標(biāo)準(zhǔn)差原理獲取應(yīng)變載荷譜，以偽損傷保留法驗證其有效性。將8級譜強化路面載荷細分為10級譜以體現(xiàn)低載強化效果，提升材料疲勞壽命預(yù)測精度[20]。

6 總結(jié)

疲勞壽命分析流程涵蓋五大步驟：載荷譜采集、有限元模型構(gòu)建、剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型建立、載荷譜提取及部件疲勞分析。實車道路載荷數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要，但需預(yù)處理減小誤差，包括工況分割、數(shù)據(jù)校驗及去噪等。有限元法用于評估零部件振動響應(yīng)與應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)幾何特征和復(fù)雜度選擇適宜的單元模擬方式。準(zhǔn)靜態(tài)分析適用于彈性小變形部件。整車模型構(gòu)建能精確獲取懸架載荷譜，模態(tài)測試確保部件模態(tài)分析準(zhǔn)確性。Adams/Car軟件與有限元模型結(jié)合，形成整車多體動力學(xué)模型，通過Femfat.Lab虛擬迭代提取載荷譜。載荷提取也可采用約束加載法或載荷譜編制法。S-N方法雖廣泛應(yīng)用，但仍有局限；臨界面法在多軸疲勞預(yù)測中更精確模擬動態(tài)應(yīng)力變化。應(yīng)變疲勞分析適用于高載荷應(yīng)力情況，需ε-N曲線支持。本文綜述相關(guān)研究，旨在為汽車工業(yè)提供基于路譜的汽車關(guān)鍵零部件疲勞壽命分析方法指導(dǎo)。

基金項目：成都大學(xué)2024年國家級大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目+基于真實路譜的汽車減振器疲勞分析與設(shè)計改進（項目編號：202411079002X）。

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