基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算
朱涛1 林晓斌2
1上海山外山机电工程科技有限公司
2英国恩科(nCode)国际有限公司上海代表处
基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算
朱涛1 林晓斌2
1上海山外山机电工程科技有限公司
2英国恩科(nCode)国际有限公司上海代表处
摘要：汽车白车身疲劳分析由于缺乏真实载荷谱的输入而显得没有说服力，计算分析的结果往往与试车场或用户使用时发生的失效没有关联，这样导致了虚拟疲劳分析的强大作用无法发挥。
本文通过六分力轮测试系统实测了某型乘用车在试车场的载荷谱数据，以此作为输入，并综合了多种CAE手段，包括有限元网格划分、有限元分析、多体动力学分析和疲劳分析，对该乘用车的白车身在实测载荷谱作用下的疲劳寿命分布进行了计算分析，获得了有价值的结果。
同时给出了更符合真实工况的试验与虚拟相结合的白车身一体化疲劳分析流程。
关键词：白车身，虚拟疲劳分析，道路载荷谱，有限元网格划分，有限元分析，多
体动力学分析
1 前言
汽车结构疲劳的话题在当前各大整车制造企业越来越受到重视，几乎每种新开发的车型都需要考察其疲劳耐久性能。
以前传统的方法，汽车企业对于新车型疲劳寿命的评估都是利用实车在各道路试车场进行路试[1]，该方式虽然是最直接且最准确的，但测试时间却十分冗长且耗费人力与经费甚巨，即使发现了问题往往也很难去修改。
近年来计算机软硬件的迅速发展，计算机辅助工程（CAE）分析技术在静态、碰撞、振动噪音等领域均有了相当不错的应用成果，但疲劳耐久性分析需要综合有限元应力分析和动力学载荷分析等专业技术，仍需花费非常大的计算量，且计算的准确性由于没有真实的道路载荷谱（RLD）作为计算输入而缺乏说服力。
本文针对上述问题，基于在国内汽车企业已经开始成熟运用的六分力轮测试技术实测获得的某乘用车在试车场的道路载荷谱数据[2]，以此作为输入，驱动建立好的整车多刚体动力学仿真模型，获取作用在白车身各连接点上的载荷谱，同时对白车身进行有限元应力场分析。
综合上述结果，调用相应的疲劳损伤模型对白车身的疲劳寿命进行了计算，从而建立起一套较为可行的更符合真实工况的车辆疲劳寿命分析技术流程。
2 某型乘用车试车场道路载荷谱采集
2.1 测试工况简介
该试验用乘用车的四个车轮均安装六分力轮进行轴头上的三向力（Fx、Fy、Fz）和三向力矩（Mx、My、Mz）的测试，如图1所示。
道路载荷谱采集在某试车场进行，该试车场特征路面如图2示意。
车辆满载，测试工况为行驶一圈覆盖试车场所有特征路面的耐久性循环。
图1 安装了六分力轮的左前轮图2 试车场特征路面示意图
2.2 测试结果
测试共布置了24个通道，通过数据采集器记录存储下所有的载荷谱信号数据。
如图3所示为左前轮的六分力信号，共1720秒。
图3 采集到的左前轮六分力信号
3 白车身疲劳寿命计算
一般结构件在承受准静态随机载荷输入下的疲劳寿命计算流程如图4所示，可见输入包括该结构件在单位载荷下的应力/应变场结果、该结构件承受的载荷谱以及该结构件的材料疲劳性能参数，
即可调用相应的疲劳损伤模型进行该构件疲劳寿命的计算，计算结果将给出该几何结构形式和材料的构件在所承受的载荷谱作用下可能发生失效的危险部位和相应疲劳寿命的大小。
图4 结构疲劳寿命计算流程
3.1 整车多体动力学分析和载荷谱提取
显然，对白车身的疲劳寿命分析需要提供作用在白车身各连接点处的载荷谱，这里采用半实物方法，在多体动力学软件MSC.ADMAS平台上对该整车建立多体动力学模型，如图5所示。
以上述实测获得的四个车轮的六分力作为输入，驱动建立好的整车多体动力学模型运行一定时间长度，即可提取出作用在白车身各连接点上相应的力和力矩的时间历程。
如图6示意，给出某一个连接点处的三向载荷谱。
需要说明的是，由于整车多体动力学计算的限制，很难一次完成实测的1720秒时间长度的计算，同时出于考察各特征路面对车身结构疲劳的影响程度大小的目的，将实测载荷谱按各特征路面情况进行了分割，这里给出的是石块路面上的载荷谱，共40秒长度。
图5 建立的整车多体动力学模型图6 在石块路上提取的车身某连接点三向载荷谱
3.2 白车身有限元应力场分析
白车身有限元网格划分，静强度有限元计算已经是整车企业产品开发环节中应用非常成熟的CAE技术。
本文的分析是在有限元前后处理平台Altair HyperMesh和有限元求解器MSC.Nastran 中完成的，这里只给出前半车身的1/2对称局部模型及其在上述连接点处所承受的垂向单位载荷作用下的应力场分布结果，如图7所示。
图7 局部白车身模型及垂向单位载荷作用下的应力场
3.3 白车身疲劳寿命计算
所要进行疲劳分析的模型中包含有多种不同材料牌号和不同厚度的板材，这里用局部应变法（EN 法）损伤计算模型来对白车身进行疲劳寿命的计算，如图8所示给出其中一种主要材料的应变-寿命曲线（EN 曲线）。
图8 材料应变-寿命曲线 局部应变寿命法（E-N 法）是继名义应力寿命法（S-N 法）之后，广泛用于汽车结构件疲劳寿命计算的方法，它能很有效的计入缺口、焊缝、应力集中等现象所产生的局部循环塑性变形效应，该效应即循环应力-应变曲线，用式1表达。
E-N 法用幂函数形式表达为式2，也叫曼森-科芬方程。
迈纳线性损伤累积法则如式3所示，基于此法则结合循环应力-应变曲线和材料E-N 曲线即可计算承受随机载荷下的构件疲劳寿命[3]。
'
1/'(1)a a n e p a a a E K σσεεε⎛⎞=+=+⎜⎟⎝⎠L L
()''(2)2(2)f a a c
e p b a i
f i N N E
σεεεε=+=+L L 11,(l i i i n D N N D
===∑L L 3)
式中，a ε——应变幅值；e a ε——弹性应变幅值；p a ε——塑性应变幅值；a σ——应力幅值；E ——
弹性模量；——循环强度系数；——循环应变硬化指数；'K 'n 'f σ——疲劳强度系数；'
f ε——疲劳延性系数；
b ——疲劳强度指数；
c ——疲劳延性指数；——各应变水平下的循环次数；——各应变水平下的疲劳寿命；——总疲劳损伤；——疲劳寿命。
i n i N D N
以上述载荷谱、结构应力场结果和材料参数作为输入，在专业疲劳分析软件nCode DesignLife 平台上即可对该局部白车身模型进行疲劳寿命的计算，给出结果如图9所示。
可见该工况下的疲劳危险区域将主要集中在减振器支座处，提示需要在设计和工艺中对该部位引起重视。
图9 局部白车身疲劳计算结果
计算结果还可输出前5个危险区域的单元号和对应的寿命结果，如表1所示。
可见计算结果表明，最可能先发生失效的部位是22205号单元，其寿命值为输入的那段载荷谱还能重复5.652e4次。
表1 前5个危险区域单元号和寿命结果 危险区域 单元编号 寿命（Repeats ）
1 22205 5.652e4
2 22206 6.218e4
3 22207 6.43e4
4 31541 7.287e5
5 31542 1.023e6
4 结论
随着汽车产品竞争日趋激烈，用户对产品质量的要求更加苛刻。
如果在设计阶段即对符合用户使用工况下的车辆疲劳耐久性能进行分析优化，及时发现问题并加以改进，显然能大大提升车辆的
品质、降低后期道路试验甚至用户使用时发生失效而产生的保修成本和声誉损失。
本文以某型乘用车的白车身为对象，通过实测获取了作用在车轮上的真实工况下的载荷谱，再通过多体动力学计算分解得到作用在白车身上的载荷谱，结合有限元分析的应力结果，即可对该结构进行基于实测载荷下的疲劳寿命分析计算，在此基础上还可进行各种结构、材料优化以及改型前后疲劳性能对比等分析工作。
这样的整车疲劳性能研究思路才能很好的满足上述需求，具有重要的工程意义。
5 参考文献
[1] 林育正, 毛庆平. 建立整车疲劳寿命分析技术的程序方法[J]. 车辆研测资讯, 2005, 3：20~27.
[2] 编辑委员会.汽车工程手册－试验篇.北京：人民交通出版社，2001.679~680.
[3] 徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988.
[4] 林晓斌. 机械产品的一体化抗疲劳设计[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2004, No.1-2：29~30.
[5] David Ensor, Chris Cook, Marc Birties. Optimizing Simulation and Test Techniques for Efficient Vehicle Durability Design and Development. SAE 2005-26-042.
[6] DesignLife User Manual. 2007. nCode International Ltd.。