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基于路谱频域的车身疲劳分析

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http：//www．chinacae．cn第21卷第2期2012年4月

计算机辅助工程ComputerAidedEngineeringVol．21No．2

Apr．2012

文章编号：1006－0871（2012）02-0050-03

基于路谱频域的车身疲劳分析吴涛，茆汉湖，戴轶（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）

摘要：针对车身疲劳分析中静载法无法考虑结构动力学响应，瞬态分析法无法求解过长时间域的问题，将这2种方法与频域法进行比较，发现用频域法对大规模有限元模型进行动态疲劳分析相对容易，并能完全描述动力学响应过程．根据频域法进行振动疲劳分析的理论和计算过程，给出基于路谱频域的车身疲劳分析流程．基于功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD）载荷谱的传递函数法求解某车关键部件的疲劳寿命，求解结果与疲劳试验结果比较一致．结果表明基于路谱频域的振动疲劳分析方法在汽车结构疲劳计算中的应用可行．关键词：整备车身；振动疲劳；功率谱密度；路谱；频域中图分类号：U463．821；TB115．1文献标志码：B

Vehiclebodyfatigueanalysisbasedonfrequencydomainofroadspectrum

WUTao，MAOHanhu，DAIYi（TechnicalCenter，SAICMOTORCo．，Ltd．，Shanghai201804，China）Abstract：Astovehiclebodyfatigueanalysis，astructuredynamicsresponsecannotbeconsideredinstaticloadingmethod，andtransientanalysismethodcannotbeappliedonthesolutionwithanoverlongtimedomain．Thecomparisonofthetwomethodswiththefrequencydomainmethodshows，thatitisrelativelyeasytousefrequencydomainmethodtoperformdynamicfatigueanalysisonlargescalefiniteelementmodels，anddynamicsresponseprocesscanbedescribedcompletely．Accordingtothevibrationfatigueanalysistheoryandanalysisprocessusingfrequencydomainanalysismethod，thevehiclebodyfatigueanalysisprocessbasedonroadspectrumfrequencydomainisproposed．BasedonthetransferfunctionmethodofloadspectrumofPowerSpectralDensity（PSD），thefatiguelifeofsomecriticalpartsissolvedforavehiclebody，andtheresultsarerelativelyconsistentwithfatiguetestresults．Itisfeasibletousevibrationfatigueanalysismethodbasedonroadspectrumtocalculateautomobilestructurefatigue．Keywords：trimmedbody；vibrationfatigue；powerspectraldensity；roadspectrum；frequencydomain

收稿日期：2011-03-22修回日期：2011-04-12基金项目：上海市科技人才计划（09QB1402600）作者简介：吴涛（1977—），男，湖北随州人，工程师，硕士，研究方向为结构CAE应用技术，（E-mail）wutao02@saicmotor．com

0引言

汽车市场竞争日趋激烈，各厂家越来越重视汽车的疲劳寿命问题，随着科学技术的进步，汽车设计部门可以在设计阶段就考虑产品的疲劳寿命问题，摆脱以往只能在产品验证阶段通过试验对产品寿命进行评估的单一手段．有限元法在设计中的应用极大地提高设计手段：最初，设计师通过模拟汽车在最http：//www．chinacae．cn

差路面上的一些极限工况（如Potholes，3gBumper和Kerbing等）进行静力学的极限强度计算，观察车辆在这些极限工况条件下是否断裂，从而评估结构的疲劳情况；后来，通过有限元法得到车辆结构的全场应力和应变历史来计算全场疲劳情况的方法逐渐成为主流．1时域法和频域法金属材料由于受交变应力和应变的作用而发生疲劳失效，计算疲劳的理论基础，无论是名义应力寿命法，还是局部应变寿命法，都需要计算结构各部分受到的应力和应变历史．采用有限元法计算应力和应变历史的方法有准静态法和瞬态法，这2种方法都可用于求解结构在时域的应力和应变场，但也都有各自适用的范围．当激励载荷频率远小于所分析结构的自然频率时，结构不具有动力学响应，其应力状态可通过线性缩放，多通道地通过线性叠加的方法进行准静态法求解．反之，如果施加的载荷频率接近结构的固有频率，结构具有动力学响应，同时各载荷作用相互耦合，更宜选择瞬态法求解．对于具有几十万单元白车身级别的疲劳分析，即使只对线性系统进行几十秒的瞬态分析也很难完成，工程中常采用准静态法线性缩放结构的应力和应变场．对于一般的疲劳试验路面，波长和车速已知，来自路面的载荷频率通常小于6Hz，远小于白车身的固有频率，因此准静态法适用．当疲劳路面为激励共振路面（如鹅卵石和搓板路面）时，路面波长短，在车辆达到一定速度时加载频率显著提高，有必要考虑其动力学响应．此时，使用频域法具有优势，频率响应（传递函数）分析获取功率谱密度的应力信号通常比获取时域的应力信号容易得多．2振动疲劳分析理论和计算过程对于振动疲劳分析，输入载荷的频域表述（载荷的功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD））是时域信号的一种有效表达方式，也可通过一系列转换用频域对固定的随机过程做出统计性描述，这种统计得到每个应力幅值在一定时间范围内发生的概率分布，同样可根据传统疲劳计算方法由Miner累计损伤法则求得疲劳损伤．因此，在频域中进行振动疲劳分析，同样需要材料的S-N曲线．［1］2．1时域信号向频域信号的转化输入载荷y=y（t）是关于时间的函数，可将其描述成一系列变幅、频率和相位的正弦波总和，即傅里叶展开式．用复数理论表达傅里叶展开式：计算复数因数时将因数规格化，规格化的因数采用不同频率下的密度函数形式进行表达；从Δf（各因数间的频率间隔）范围内密度函数下的区域获得傅里叶因数；通过傅里叶因数并根据一系列转换可得到傅里叶变换y（f），记为FFT．

2．2PSD的矩

PSD下的区域代表正弦曲线波组分（时间历

程）的均方值，将其与FFT谱计算的均方值相等，可确定PSD与FFT之间的转换．

PSD的矩Mn=∫∞0G（f）df=Σmk=1fnkGk（fk）df

表

示PSD函数的第n个积率，一些非常重要的统计学特性（如每秒的零交叉点和峰值）可以从PSD的矩中得到，并可由这些特性计算不规则因数．这些特性在时域信号中很容易通过计数得到．这样就建立PSD信号与时域信号在统计学上的联系．

2．3概率密度函数

频域中评估疲劳需要得到某种应力幅值的概率分布，根据时域信号和PSD的矩所描述的一些统计学上的共性，可推导出概率分布．［2］相关理论中应用较广泛的有窄带假设和Dirlik求解：窄带假设理论假设所有函数值为正的波峰后跟着一个对应的、数值相等的波谷，不考虑实际中是否构成应力循环，比较保守；Dirlik求解的应用更广泛［3］，它也根据

PSD的矩表示概率密度函数．

3基于路谱频域求解车身疲劳

基于载荷谱的结构疲劳分析方法主要有静载法、瞬态应变分析法和振动疲劳分析法等．对于白车身疲劳分析，最简单和常用的方法是静载法：建立车辆的整备车身模型，在车身与底盘的连接点处分别施加单位载荷，然后应用惯性释放的方法求解多种工况下的应力分布．将每个通道单位载荷的应力分布与相关载荷（时间历程）进行简单的线性组合，获取应力场的时域分布，计算流程见图1中的静载法，静载法无法考虑结构的动力学响应．对于瞬态分析法，在面对白车身这种大模型时，用其求解过长的时间域也不现实，基于PSD载荷谱的振动疲劳频域分析方法是较好的选择，其计算流程见图1中的频域法．基于PSD载荷谱进行振动疲劳分析的方法有传递函数法和随机振动分析法．传递函数法利用模型应力传递函数和PSD表示的输入载荷，通过疲劳分析软件求得模型的振动疲劳特性，即先对有限元模型载荷输入点的各个自由度分别施加单位激励，输

15第2期吴涛，等：基于路谱频域的车身疲劳分析http：//www．chinacae．cn出车身钣金件的应力传递函数；传递函数是模型的基本特性，与输入载荷无关；试验所得载荷通常为时域的加速度载荷，可将其转化为用频域PSD表示的动态载荷；将这2个主要参数和材料疲劳特性曲线一起输入到振动疲劳分析模块，即可进行响应的损伤寿命分析．随机振动分析法将动载的PSD作为输入载荷，通过有限元软件进行随机振动分析，直接求得应力PSD［4］，然后将应力PSD和材料特性直接输入到振动疲劳分析模块，分析模型的疲劳寿命．图2有限元模型Fig．2Finiteelementmodel作用于左后轮轮心x向的动载时域信号和由此转换来的PSD见图3，可知，由PSD分析得到的该通道载荷频率范围为0～30Hz．通常白车身第1阶模态约为28Hz，因此采用振动疲劳分析法考虑其动力学响应比采用静载法好．

（a）x向载荷时域信号

图4一些关键零件的疲劳寿命云图，hFig．4Fatiguelifecontourofsomekeyparts，h

图5试验得到的开裂位置Fig．5Crackpositionobtainedbytest

（下转第83页）

25计算机辅助工程2012年

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基于FEMFAT的白车身疲劳分析

基于FEMFAT的白车身疲劳分析

基于FEMFAT的白车身疲劳分析白车身是指整车的车身结构，一般由车身骨架和车身面板组成，是整个汽车结构的基础和支撑。

疲劳是指材料或构件在循环加载下发生的损伤过程，是工程应力分析的重要内容之一、车身在使用过程中，常常面临着多种不同方向和不同幅值的载荷作用，这会导致车身结构存在疲劳问题。

因此，对于白车身结构进行疲劳分析是非常重要的，可以保证车身在使用寿命内不会出现疲劳失效，从而确保车身的可靠性和使用寿命。

FEMFAT是一种用于高级疲劳分析的软件工具，它基于有限元方法，能够对复杂结构进行应力分析和疲劳分析。

在白车身疲劳分析中，FEMFAT可以帮助工程师确定车身结构的疲劳寿命，并评估不同工况下的疲劳稳定性。

首先，进行白车身疲劳分析的第一步是建立有限元模型。

通过对车身结构进行划分和网格划分，将车身结构离散成多个小单元，在各个节点上定义材料特性和边界条件。

然后，使用FEMFAT进行载荷和应力计算，得到车身结构在不同工况下的应力分布情况。

接下来，根据车身结构的应力分布情况，利用疲劳材料参数，使用FEMFAT进行疲劳寿命预测。

FEMFAT提供了多种常见的疲劳寿命估算方法，如S-N曲线法、局部应力方法和振动疲劳方法等。

工程师可以根据实际情况选择合适的方法进行疲劳寿命估算。

此外，FEMFAT还可以进行疲劳稳定性评估。

疲劳稳定性是指结构在疲劳循环载荷下的疲劳寿命分布情况，也称为疲劳敏感性。

通过使用FEMFAT的概率疲劳分析功能，可以评估不同工况下的疲劳稳定性，找出疲劳敏感性较高的位置和部件，从而指导结构的优化设计。

最后，通过FEMFAT进行白车身疲劳分析后，工程师可以得到车身结构的应力分布情况、疲劳寿命预测和疲劳稳定性评估等结果。

这些结果可以为结构设计和优化提供重要参考，提高车身结构的可靠性和使用寿命。

总之，基于FEMFAT的白车身疲劳分析是一种重要的工程应用。

通过使用FEMFAT，工程师可以对车身结构进行应力分析和疲劳分析，预测车身的疲劳寿命，并评估疲劳稳定性。

车身疲劳耐久评估方法简介

车身疲劳耐久评估方法简介

车身疲劳耐久评估方法简介不知道为什么小时候的我经常遇到需要弄断铁丝却没有老虎钳也没有小李飞刀的直接考验我智商的高光时刻。

虽然显然不能像非洲朋友那样牙咬手撕但我也不是没试过当然最后结局都是没成功。

后来可能是因为吃了家里唯一荤菜鸡蛋脑细胞发育了发现反复折弯再反复折弯铁丝就会突然断了。

至于铁丝为什么会突然断了我不知道反正就是断了。

再后来改革开放了日子好了能吃上猪肉了脑子也发育的差不多了其中的缘由也就慢慢的明白了。

一根铁丝，想要徒手拉断或者瞬间折断那几乎是不可能的，但是如果你将它反复折弯很多次便可以把它折断。

这其实就是铁丝被整疲劳了，发生了疲劳破坏。

因为铁丝等金属件在生产加工过程中会出现各种缺陷，比如宏观的气孔、杂质、表面划痕以及微观的晶体位错、滑移带等。

在外力作用下这些缺陷处会出现局部应力集中，当局部应力大于材料的屈服强度时便会萌生微裂纹，这些微裂纹在交变载荷作用下逐渐扩展，当扩展到一定程度时突然断裂。

铁丝的疲劳破坏过程中交变载荷水平较高，塑性应变起主导作用，疲劳寿命较短，属于应变疲劳或低周疲劳；当交变载荷水平较低，弹性应变起主导作用时，疲劳寿命较长，属于应力疲劳或高周疲劳。

高周疲劳在日常生活中更加普遍，因其交变载荷小，没有明显的塑性变形等前兆，不容易提前发觉，所以具有更大的危险性。

美国空军的一架F-15战斗机曾经在模拟空战时就出现了惊险的一幕，事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳破坏。

图1 F-15战机疲劳破坏（图片源自网络）汽车作为我们日常生活中非常重要的代步工具，也是由大量金属件构成的。

当汽车行驶在道路上时由于路面的不平整，车身结构会受到交变载荷作用，从而产生微裂纹并逐渐扩展。

为了保证车身在整个设计生命周期内不发生疲劳破坏，我们需要对车身结构进行疲劳耐久性能评估。

评估方法可分为试验法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，实际的项目开发过程中，两种方法相结合使用。

基于有限元法的某微型货车车身疲劳寿命分析

基于有限元法的某微型货车车身疲劳寿命分析

同时为获得精确的仿真结果不仅要求有限元模型精细准确的材料属性和合适的载荷谱更是必不到目前为止国内的疲劳仿真多是结合有限元法和动力学知识对车身或底盘零部件进行分析因为硬件条件的限制对整车进行疲劳分析的较少现有的联合仿真技术也多用于底盘部件的疲劳分析本文中利用计算机仿真技术综合应用多体动力学有限元法和疲劳分析方法对某微型货车的车身进行疲劳分析与优化并与实车路试结果进行对比以验证仿真结果的准确性
到车身作为柔性体对其动力特性的影响， 采用动力 缩减的方法进行车身动力学的分析 。 建立分析工况 的关注点有： （ 1 ） 首先应在所有的安装点处引入超单元， 并 定义约束为 ASET； （ 2 ） 考虑到 NASTRAN 软件和 ADAMS 的接口 m、 s； 问题， 应注意调整单位， 默认的单位为 kg、 （ 3 ） 设立最大频率截断值时要考虑到外载荷的 过大则计算量偏大， 过小则精度不足； 频率大小， （ 4 ） 在输出文件中选择 mnf． 模态中型文件， 作 为 ADAMS 的输入文件。 2. 4 刚柔耦合多体模型的建立 采用 ADAMS / Car 建立 针对所研究的微型货车，
［1 ］
。
前言
目前， 汽车结构疲劳越来越受到各大整车制造 企业的重视， 疲劳分析在产品研发中得到越来越多 的应用。汽车企业对新车型疲劳寿命评估的传统方 法是利用实车在各种道路或试车场上进行路试 。 该 方法最直接且最准确， 但测试时间太长， 且须耗费巨 大的人力与财力； 另外， 即使发现问题要修改也无从 CAE 技术在静态、 下手。近年来， 碰撞和振动噪声等 领域均有较好的应用成果。进行疲劳耐久性分析须 综合有限元应力分析和动力学载荷分析 ， 计算量大。 同时为获得精确的仿真结果， 不仅要求有限元模型 准确的材料属性和合适的载荷谱更是必不 精细，
车辆耐疲劳分析

车辆耐疲劳分析

车辆耐疲劳分析计算机产生的道路载荷和应力分析陈亨毅二零零六年一月二十日前言传统上所谓的“道路载荷”就是车辆在崎岖不平的道路上行驶，激起轮胎的连续变形。

藉着力的传导，轮胎的反弹力经由悬挂体而传播分布到车身各处。

在重覆的受力状态下，部件若在指定的驶程内产生破裂，则需重新设计。

但是，车辆工程人员迄今仍无法掌握导致部件破裂的“道路载荷”。

而在有测试的前提下，用正确的有限元方法模拟各种工况，和有创新能力的软件商一起完成“道路载荷”的获取是最省事的做法。

二十世纪初期，车辆的耐久性已是车辆设计规范之一。

汽车制造商为了要测定车辆的耐疲劳性，测试人员将各类的车辆，以不同的速度行驶于底特律的各种不同的道路上。

再根据车辆的破坏程度来修正车辆设计上的缺陷。

随着时代的演进和试车场的诞生，车辆的耐疲劳测试逐渐改在可控制的道路状况下重覆的进行测试。

由于测试的技术亦不断的进步，试车员可将耐疲劳的行驶里程由五位数减至四位数并和原先的全程测试得到的结果相仿。

为了缩短出车的时间，大家都在增进效率上努力。

二十世纪末期，复合材料模拟方法，超单元算法，橡胶单元面世，因计算机的速度突飞猛进带动了结构分析软件的技术开发。

一九八四年最好的有限元单元问世，接触面的运算方法和隐式性积分无条件收敛的算法获得验证。

先後为结构分析人员提供了在计算机上，用有限元方法模拟车辆行驶于耐疲劳道路上应力分析的工具。

以期达到减重，耐久，可以免除测试的好处。

开发成功便能取代耗时的耐疲劳行驶测试，缩短产品开发时间，这创新将是产品自主开发的利器。

有限元方法已是成熟的技术。

模拟车辆在耐疲劳道路上行驶，除了用正确有限元方法模拟不同零件的方法，祗需要掌握下文叙述的，线性，非线性，子结构分析知识和技术即可。

结构分析和道路载荷在没有电子计算机的时代，汽车结构分析是用比较性的分析；分析人员仅能将目标车的断面，和设计车的断面，用手运算後作粗枝大叶的比较，谈不上精确度。

设计人员基本上是仰赖车辆在耐疲劳道路上的测试报告为依据。