楊一昕 程竹青

摘 要：車身焊接金屬薄板件失效形式通常為疲勞斷裂，本文選擇白車身中受應(yīng)力相對(duì)集中的后隔板位置進(jìn)行疲勞耐久影響因素研究，從零件的材料選擇、厚度、零件的形狀以及焊點(diǎn)分布等方面進(jìn)行CAE疲勞仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)車改進(jìn)，并通過(guò)改進(jìn)后的道路試驗(yàn)，將仿真分析結(jié)果和道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明疲勞仿真結(jié)論和實(shí)車改進(jìn)的有效性。試驗(yàn)證明該方法可以幫助評(píng)估車身焊接件疲勞問(wèn)題解決方案，縮短問(wèn)題解決與驗(yàn)證時(shí)間。

關(guān)鍵詞：車身薄板件;疲勞耐久;仿真分析;道路試驗(yàn)

0 前言

汽車車身強(qiáng)度和可靠性主要通過(guò)實(shí)車道路試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但是，基于實(shí)際樣車或部件的試驗(yàn)對(duì)潛在問(wèn)題的反饋存在滯后性，難以明確影響因素。疲勞仿真分析可以幫助驗(yàn)證各種優(yōu)化方案，減少或替代部分實(shí)車試驗(yàn)，提高車身焊接設(shè)計(jì)驗(yàn)證的準(zhǔn)確度。

車身疲勞分析主要依據(jù)帕爾姆格倫-Miner疲勞累積理論進(jìn)行[1]，多數(shù)研究集中在疲勞壽命的仿真預(yù)測(cè)和仿真體系的建立，上海大眾建立了整車耐久性虛擬試驗(yàn)臺(tái)架，代替實(shí)車的道路試驗(yàn)和試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)[2];上汽、一汽等利用CAE仿真技術(shù)進(jìn)行了車身疲勞耐久預(yù)測(cè)[3]。對(duì)于將道路試驗(yàn)和仿真相結(jié)合，提出和制定優(yōu)化方案并進(jìn)行定量分析，相關(guān)研究與案例較少，特別是車身應(yīng)力相對(duì)集中的后隔板，是新車開(kāi)發(fā)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，本文從解決后隔板疲勞失效發(fā)生的對(duì)策制定和驗(yàn)證角度，從材料、厚度、形狀、焊點(diǎn)分布等不同方面進(jìn)行優(yōu)化和疲勞仿真，從而獲得最優(yōu)改進(jìn)方案。

1 車身薄板件疲勞分析理論

汽車行駛時(shí)，受路面連續(xù)激勵(lì)，引起車身金屬件隨機(jī)振動(dòng)，在某點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂。零件疲勞隨高應(yīng)力或高應(yīng)變部位產(chǎn)生損傷并逐漸累積，導(dǎo)致性能退化，裂紋萌生、擴(kuò)展直到完全斷裂失效。疲勞破壞通常經(jīng)過(guò)裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、疲勞斷裂三個(gè)過(guò)程[4]。圖1表示了零件疲勞總壽命定義的全過(guò)程。

1.1 疲勞損傷機(jī)理

本文采用Miner疲勞累積理論[5]，其假定材料在各個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞損傷是獨(dú)立進(jìn)行的，總損傷是先行疊加的結(jié)果。假定每一個(gè)循環(huán)所造成的平均損傷為1/N，根據(jù)損傷積累法則，n次恒幅載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比[6]。當(dāng)零件受到變幅載荷時(shí)，累積損傷量D等于各自循環(huán)比之和：

式中：為零件在次循環(huán)所受的損傷;為S-N曲線上對(duì)應(yīng)等效應(yīng)力幅值的破壞循環(huán)次數(shù)。當(dāng)D=1時(shí)，零件發(fā)生疲勞失效，累計(jì)損傷結(jié)束。

1.2 零件疲勞分析方法

汽車在道路上行駛時(shí)受到路面不平度的連續(xù)激勵(lì)，引起車身零件的隨機(jī)振動(dòng)，并最終導(dǎo)致疲勞失效。車身零件的疲勞壽命不僅與行駛的路面形狀有關(guān)，而且與行駛速度有關(guān)，其壽命預(yù)測(cè)基于速度和路面的激勵(lì)[7]。道路激勵(lì)輸入譜為：

其中為道路空間譜。

在任意路譜激勵(lì)下的車身零件的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力速度和動(dòng)應(yīng)力加速度的均方值分別為：

在隨機(jī)載荷激勵(lì)下，車身零件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)是隨機(jī)過(guò)程，相應(yīng)的應(yīng)力幅值S是隨機(jī)變量，零件平均疲勞壽命的估計(jì)式為：

2 后隔板疲勞耐久仿真分析

車身后隔板是車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最為集中的地方之一，作者經(jīng)歷的某A級(jí)轎車在實(shí)際的道路試驗(yàn)中發(fā)生了疲勞開(kāi)裂，接下來(lái)針對(duì)開(kāi)裂部位進(jìn)行針對(duì)性的疲勞仿真分析和優(yōu)化及驗(yàn)證。

車身零件疲勞壽命預(yù)測(cè)首先需建立白車身有限元模型，施加邊界條件，計(jì)算的固有頻率和振型，擴(kuò)展模態(tài)并計(jì)算應(yīng)力[8]。然后，輸入譜密度，頻率、阻尼參數(shù)，確定激勵(lì)作用點(diǎn)及方向，定義激勵(lì)縮放系數(shù)[9]，求解絕對(duì)應(yīng)力和應(yīng)力速度等動(dòng)態(tài)響應(yīng)歷程。最后，模態(tài)合并，計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)力速度等隨機(jī)變量，由疲勞累積損傷理論計(jì)算車身危險(xiǎn)部位的疲勞壽命[10]。

2.1 流程設(shè)定及模型搭建

本文選擇HyperMesh軟件進(jìn)行完成前處理建立有限元模型;利用Nastran軟件計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)下的單位載荷下的相應(yīng)強(qiáng)度;利用六分力儀、位移傳感器、加速度傳感器等設(shè)備采集PAVE實(shí)驗(yàn)道路載荷路譜，并分解采集的載荷路譜;利用FEMFAT軟件進(jìn)行疲勞計(jì)算;最后用HyperWorks進(jìn)行后處理，讀取仿真結(jié)果[11]。PAVE實(shí)驗(yàn)的疲勞耐久仿真流程如圖2，白車身有限元模型如圖3。根據(jù)線性累積損傷理論的修正Miner法則和零件疲勞分析方法進(jìn)行模擬仿真疲勞計(jì)算。

根據(jù)道路實(shí)驗(yàn)要求及仿真需要以及車身后隔板材料、料厚、形狀、焊點(diǎn)分布等影響因素，建立車身后隔板有限元模型。車身后隔板模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.2 車身后隔板有限元仿真分析

根據(jù)提高車身金屬薄板件疲勞可靠性的經(jīng)驗(yàn)及常規(guī)方法，分別制定增加材料厚度、更改結(jié)構(gòu)形式、變更材料、改善焊點(diǎn)分布等方案。仿真涉及材料牌號(hào)及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度級(jí)別如表2所示。

車身后隔板開(kāi)裂即疲勞開(kāi)裂發(fā)生部位如圖5所示車身扭轉(zhuǎn)劇烈位置的A、B兩個(gè)部位。根據(jù)提升疲勞耐久可能的措施，共計(jì)5個(gè)方案，具體設(shè)計(jì)方案如表3所示。

方案1為車身后隔板選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處形面不做更改，進(jìn)行焊點(diǎn)布局優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖6所示。

方案2為后隔板選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處做圓角優(yōu)化，不進(jìn)行焊點(diǎn)分布優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖7所示。

方案3為選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處增加臺(tái)階邊，進(jìn)行焊點(diǎn)分布優(yōu)化，優(yōu)化方案如圖8所示，仿真結(jié)果如圖9所示。

方案4是指后隔板選擇HC260Y材料，料厚為0.7mm，A、B處形面不做更改，不進(jìn)行焊點(diǎn)優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖10所示。

方案5是指后隔板選擇HC260Y材料，料厚為0.8mm，A、B處形面不做更改，進(jìn)行焊點(diǎn)優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖11所示。

2.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)5個(gè)設(shè)計(jì)方案的疲勞仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖12所示的1～5處的應(yīng)力集中，損傷值較大。

本文對(duì)5種方案在1～5這5處的損傷值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析，具體如下表4所示。

根據(jù)表4中的應(yīng)力集中損傷值，發(fā)現(xiàn)在位置1和5處的損傷是最大的。根據(jù)線性疲勞損傷理論，損傷值等于1，是一個(gè)臨界失效的狀態(tài)，損傷值在1以下時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。

以1處為例，方案2與方案1對(duì)比優(yōu)化了圓角，未進(jìn)行焊點(diǎn)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)位置1處的損傷值降低0.60;方案3與方案1對(duì)比增加了臺(tái)階面，位置1處的損傷值降低0.46;方案4與方案1相比材料由DC01改為HC260Y，未進(jìn)行焊點(diǎn)優(yōu)化，位置1處的損傷值降低2.23;方案5與方案1相比材料由DC01改為HC260Y且料厚由0.7mm增加到0.8mm，位置1處的損傷值降低2.70。根據(jù)疲勞損傷的仿真結(jié)果可知，焊點(diǎn)分布優(yōu)化對(duì)降低疲勞損傷改善不明顯;優(yōu)化圓角、增加圓角臺(tái)階面都可以降低疲勞損傷值;更換材料，提高鋼板的性能，能明顯降低疲勞損傷值。根據(jù)仿真試驗(yàn)的結(jié)果，考慮對(duì)開(kāi)發(fā)成本和周期影響最小的方案4作為改善方案，并在此進(jìn)行試車道路試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析和試驗(yàn)驗(yàn)證分析

根據(jù)企標(biāo)及道路試驗(yàn)規(guī)范，規(guī)定比利時(shí)路面行駛有效試驗(yàn)里程2200km，等效于用戶實(shí)際使用160000km。其中，組合路中、高強(qiáng)度比利時(shí)路面行駛有效里程1000km，在組合路低強(qiáng)度比利時(shí)路面行駛有效里程1200km。在組合路低強(qiáng)比利時(shí)路上，車速35km/h至40km/h;在綜合路中、高強(qiáng)度比利時(shí)路面行駛，車速50km/h。通過(guò)高強(qiáng)比利時(shí)路，車速50km/h。試驗(yàn)行駛路線詳見(jiàn)圖13，按照①→③→②→④的順序。

選擇方案1和方案4實(shí)車改進(jìn)后進(jìn)行道路試驗(yàn)。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果如圖14、15所示，方案1后隔板位置1試驗(yàn)結(jié)果鈑金發(fā)生疲勞開(kāi)裂;方案4后隔板實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)生開(kāi)裂。后隔板位置1處方案1仿真疲勞損傷值為3.23，超過(guò)臨界損傷值;方案4仿真疲勞損傷值為0.73，小于臨界失效損傷值。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)轎車后隔板開(kāi)裂問(wèn)題，采用仿真方法進(jìn)行了疲勞可靠性的影響因素分析，通過(guò)實(shí)車道路試驗(yàn)與CAE疲勞仿真分析結(jié)果對(duì)比，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于車身后隔板，材料本身的力學(xué)性能對(duì)于疲勞耐久性能影響大于厚度、形狀、焊點(diǎn)分布等因素。

（2）疲勞仿真分析與道路試驗(yàn)結(jié)果相吻合，該方法有助于通過(guò)量化分析給出疲勞可靠性與成本綜合最優(yōu)的方案，縮短問(wèn)題解決與驗(yàn)證時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bishop N，Sherratt F.Finite Element Based Fatigue Calculations[M].NAFEMS，2000.

[2]馬扎根，陳棟華，胡文偉等.基于虛擬試驗(yàn)臺(tái)的車身結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2016，38（07）：896-900.

[3]孫濤，鄭非，劉斌等.承載式車身快速疲勞試驗(yàn)與CAE分析相關(guān)性的研究[J].汽車工程，2016，38（03）：390-396.

[4]ASTM American National Standard，ANSI/ASTM[S].E206-72 （Reapproved 1979）.

[5]曼森SS.金屬疲勞損傷-機(jī)理、探測(cè)、預(yù)防和維修[M].陸索譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1976：20-30.

[6]Lassen T，Recho N.Fatigue Life Analyses of Welded Structures[M].Flaws：John Wiley& Sons，2013.

[7]孫凌玉，呂振華.利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)車身零件疲勞壽命[J]. 汽車工程，2001，23（06）：389-391.

[8]姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[9]Kim H S，Yim H J，Kim C B.Computational durability prediction of Automotive Technology，2002，3（04）：129-135.

[10]Sigmund K A.Fatigue assessment of aluminum automotive structure[D].PhD thesis，Norwegian University of Science and Technology，Norwegian，2002（08）.

[11]王建強(qiáng)，周蘇楓，馬君峰等.飛機(jī)典型金屬材料振動(dòng)疲勞歷程中模態(tài)阻尼比獲取方法研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2018（02）.