10.16638/ki.1671-7988.2019.06.046
白车身疲劳耐久仿真分析
杨劲飞1，陆雪华2，梁琴桂1
（1.广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州545000；2.上海双杰科技有限公司，上海201804）
摘要：某汽车企业研发某款车型在进行可靠性道路试验过程中，车身后部的后尾梁钣金处发现开裂现象，此问题出现，影响车身耐久性能评估。通过道路信号采集、有限元疲劳耐久仿真软件，对此问题进行开裂原因分析，并根据开裂因素制定更改方案，保证该款车型满足疲劳耐久仿真及可靠性道路试验性能评价目标。
关键词：疲劳耐久；开裂；损伤理论
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）06-133-03
White body fatigue simulation analysis
Yang Jingfei1, Lu Xuehua2, Liang Qinggui1
（1.ASIN Innovative Design and Manufacturing Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545000;
2.Shanghai Shuangjie Technology Co., LTD., Shanghai 201804）
Abstract: During the reliability road test of a certain automobile model developed by an automobile enterprise, cracks were found in the sheet metal of the rear tail beam of the automobile body, which affected the durability evaluation of the automobile body. Through road signal acquisition and finite element fatigue endurance simulation software, cracking causes are analyzed, and modification schemes are formulated according to cracking factors to ensure that the vehicle meets the performance evaluation objectives of fatigue endurance simulation and reliability road test.
Keywords: fatigue; cracking; Damage theory
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)06-133-03
引言
在汽车设计中，白车身强度、疲劳寿命都是评价结构可靠性及耐久性的重要标准，白车身静态强度仿真计算在开发前期能较快将结构高应力风险区域进行暴露，但在汽车开发过程中往往存在准静态强度无法直接预测的开裂现象，此时使用疲劳耐久仿真手段进行前期预测及评估更为必要，车身结构80%以上的失效是疲劳引起的，为此对白车身结构提出疲劳强度设计与分析十分重要[1]。
传统的汽车疲劳耐久性评价一般是通过可靠性试验进行，随着技术的发展，基于疲劳耐久仿真软件寿命预测及道路试验验证的方法受到广大汽车企业的认可[2]。本次案例将结合相关的疲劳理论，并根据车型出现的实际问题对整车进行建模、疲劳仿真计算、计算结果合理性评估，最后根据问题原因制定相关的补救措施，实现结构优化。
1 疲劳累计损伤理论
Miner法则是较早提出的对机械结构进行疲劳耐久性能评价的方法。在汽车开发过程中，疲劳耐久寿命计算是较为重要的性能仿真验证阶段。为了得到更为准确的疲劳寿命计算值，在疲劳寿命仿真计算前需要对载荷进行特定的处理，目前较多情况下，对于疲劳载荷的处理方法都是在较早提出的Miner法则线性损伤积累上进行，根据该损伤法则的本质思路，我们可以得到以下的情形：零件在外界作用力循环作
作者简介：杨劲飞(1988.7-)，男，就职于广西艾盛创制科技有限公
司工程分析部，从事车身结构强度及疲劳耐久仿真分析工作。
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汽车实用技术
134 用下，零件吸收能量达到最大值产生疲劳开裂，若试样加载历史所产生的应力水平为σ1，σ2，…σi ，各应力水平下的疲劳寿命相应为N 1，N 2，…N i ，各应力水平下的循环次数相应为n 1，n 2，…n i [3]。则Miner 线性损伤表达式为：
式中：D 为总的损伤量；l 为变幅载荷的应力水平等级；n i 为第i 级载荷的循环次数；N i 为第i 级载荷下的疲劳寿命。
由于在现实情况中，零件受到外力作用大部分都为交变循环的载荷情况较多，受到横幅载荷作用的情况较少；不管零件基于何种形式受到外界力作用产生破坏，用Miner 法则线性损伤累计来进行评估，都可以对零件疲劳耐久寿命进行合理评估。
2 问题提出
某企业研发某款微型客车，根据试验规范，样车在海南汽车试验场不同路面上进行了4 万km 耐久性道路测试，样车行驶里程和主要路面类型见表1。
表1 行驶里程和主要试验道路（单位Km ）
路试过程中，检查发现车身后部的后尾梁处左、右两侧各有两个焊点开裂，裂纹长度25mm 如下图1：
图1 路试车开裂位置
从经验上判断，车身尾门框区域在整车工况作用下造成的扭曲变形，是应力集中的常见位置，车身较为薄弱位置常因应力集中及载荷循环作用发生不满足可靠性设计的问题。为此对寻找开裂位置进行开裂根本原因，并根据具体因素制定针对性解决措施十分必要。
汽车车身结构在道路行驶过程中，通常是受交替变化的载荷作用，这种交变载荷对车身结构强度影响较大，往往会引起一系列疲劳强度问题[4]。汽车车身结构前期设计的不合理性以及外界载荷工况作用的恶劣性，综合两者影响是零件发生疲劳破坏的关键原因。因此，汽车开发过程为满足疲劳耐久性能设计目标，保证其能满足设计者及用户使用的可靠性要求，对车身进行疲劳耐久仿真预测及疲劳寿命设计是保
证项目顺利开发的重要保证。
3 整车有限元模型仿真验证
Hypermsh 是较为常用的网格建模软件，能够快速根据几何形状划分零件网格，并使用软件自带的连接模拟方式实现各车身总成搭接，完成白车身网格模型建立。根据仿真标准，白车身网格尺寸大小为10mm ，总共节点683126，单元650252个，初步对白车身主要性能进行计算，并严格要求白车身模态、弯曲刚度性能、扭转刚度性能的仿真数值与实际样车的测试数据误差范围需要控制在4%以内，是白车身网格模型合理性的保证。以下为白车身主要性能指标的试验值及仿真值对比见表2。
表2 白车身主要性能指标试验及仿真对比
4 车身疲劳疲劳耐久寿命仿真分析
对整车进行疲劳耐久寿命仿真计算需要几个关键步骤：动态载荷处理、材料疲劳曲线、结构应力仿真结果。
载荷处理：车辆在试验场路试前，需要对其轮心安装6
分力信号传感器，对每种不同路面信号进行采集，根据路试试验场道路分类，有比利时路、扭曲路、搓板路等多种不同路面，对不同路面信号统一采集后，在特定软件中进行信号处理、载荷分解，将路试信号转换为适合疲劳耐久仿真应用的时间里程载荷。
材料疲劳曲线：零件的寿命取决于材料的力学性能与外界施加的应力水平，每种不同材料都有其特定的力学特性，零件材料强度等级越高，受到的应力水平越低，其寿命就越长，这种外加应力水平和标准试件疲劳寿命之间的关系曲线
称为S-N 曲线[5]。疲劳耐久仿真计算，必须对车身每种零件材料进行明确定义，以使整体设置与实际情况更加接近，减少设置不当引起的误差。
结构应力结果：白车身应力分析结果是疲劳分析的基础条件，在车身与底盘连接的关键硬点位置，对整车关键硬点加载单位载荷进行计算，得到单位作用力力下的有限元应力结果，从而关联疲劳动态载荷进行结果叠加计算损伤[6]。
nCode 软件包含了较为强大的材料数据库，本身包含的疲劳材料曲线基本可以满足用户计算使用，在某些特定情况下，可以根据材料抗拉极限值及其他相关参数拟合用户所需要的疲劳材料曲线，本文使用该软件进行疲劳耐久仿真计算。
通过仿真发现，后尾梁损伤最大值2.53，且最大损伤位置与样车路试开裂位置是同一个位置，仿真计算结果云图如图2：
