轻型汽车技术２０１２（５／６）总２７３／２７４ 技术纵横 １７
轮心六分力作用下车身疲劳寿命分析与改进
沈磊 张守元郁 强 张一京
（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）
‘ 摘要 准确提取悬架连接点载荷是车身疲劳耐久性分析的关键。本文基于某轻型客车新车
研发过程中测取的道路试验轮心六分力数据，研究单独采用悬架模型进行车身连接点疲
劳载荷提取的准确性，为低成本准确获取车身疲劳耐久分析输入载荷提供了一种可行方 法。在某国产轻型客车研发过程中，利用该方法对车身优化前后进行疲劳寿命分析，取得 良好效果。 关键词：六分力悬架疲劳载荷谱 疲劳寿命分析
１ 前 言
现代机械工业中，有８０％以上的结构强度破坏
是由疲劳破坏造成Ｉ１］，随着机械产品运转速度提高和 高强度钢的使用，疲劳破坏更加普遍。车身是汽车的
主要承载部件，尤其轿车、客车等承载式车身，是悬 架、发动机和车身附件的安装基础，承受来自路面、 发动机等各种交变载荷，其疲劳强度性能对保证汽
车产品安全和可靠性至关重要。现代汽车工业竞争 日益白热化，为缩短研发周期，节约成本，疲劳耐久
性ＣＡＥ分析受到极大重视。近年来综合有限元方法
和多体动力学的车身耐久性ＣＡＥ分析研究取得一 定进展，清华大学朱涛等通过同时测取四个车轮的
六分力数据，进行了白车身和焊点疲劳寿命分析＿２’３】。 由于六分力仪价格昂贵，同时测取四个车轮六分力 需要四套传感器，试验成本过高。本文结合国内某汽
车集团新型客车开发项目，单独对前后车轮测取六 分力信号，采用前后悬架动力学模型提取车身连接
点载荷，并对方法准确性进行验证，取得满意结果。 利用该方法提取的载荷谱对车身优化前后进行疲劳
寿命分析，经试验验证取得良好的效果。
２道路载荷谱采集
对开发过程中的某轻型客车进行道路耐久性试 验，分别在该车前轮和后轮轮心安装六分力传感器
和加速度传感器，测量车辆在各种路面行驶时轮心 三个方向承受的力（Ｆｘ／Ｆｙ／Ｆｚ）、力矩（Ｍｘ／Ｍｙ／Ｍｚ）和转向
节顶部加速度（Ａｘ／Ａｙ／Ａｚ）数据，其中左前轮六分力传 感器如图１。
图１六分力传感器
试验在国内某试车场进行，分别在车辆空载和
满载状态下测试，试验路面包括强化坏路、高速跑 道、乡村坏路等９类，强化坏路又分为卵石路、条石
路、搓板路等１１种，通过ＧＰＳ卫星测取的试验车一 般公路路面行驶路线如图２，此段公路为加积镇至
博鳌镇连接路段，沥青路面，该路段路面宽阔，较为
平直，符合Ａ级路面试验要求。 强化坏路下通过数据采集仪获取的右前轮六分
力垂向力信号如图３，共１０００秒。
１８ 技术纵横 轻型汽车技术２０１２（５／６）总２７３／２７４
图２试验车一般公路行驶路线
町１ ｌｓ） 图３右前轮六分力试验数据
３悬架连接点载荷谱提取
对车身的疲劳寿命分析需要提供钢板弹簧、扭 杆、减震器等１０处悬架与车身连接点载荷谱，由于
耐久性试验中前后车轮六分力并非同时提取，如果 在整车多体动力学模型中将此作为输入，会由于静 态不平衡导致仿真失败。本文通过ＭＳＣ．Ａｄａｍｓ软件
建立试验车前、后悬架多体动力学模型如图４、５，其
中稳定杆和多片钢板弹簧采用梁单元模拟，调整前 后悬架刚度和阻尼与实车一致。单独对前、后车轮进
行六分力加载，获取车身连接点载荷。
图４前悬架疲劳载荷提取模型
图５后悬架疲劳载荷提取模型 为验证仿真结果准确性，分别比较了模型添加／ 不添加轮胎、连接点固定和施加簧载质量四种分析
方法。车身疲劳破坏大多发生在满载状态下强化坏 路和乡村坏路两种路面，为加快疲劳分析，只用此两
种路面下满载状态测取的六分力数据进行加载，输 出车身连接点三个方向力和力矩，同时输出与试验 测点对应的转向节顶部加速度，以方便与试验数据
进行对比验证。 采用车身连接点固定，前悬架添加／不添加轮 胎模型进行分析，以乡村坏路测取的两前轮六分力
数据作为输入，得出转向节顶部垂直ｚ向加速度１０ 秒仿真结果如图６，实线为不包含轮胎的仿真结果，
图中可以看出，不添加轮胎时加速度响应明显偏大， ｌ０秒内的加速度均方根值６．９１３ｍ／ｓｚ，比添加轮胎模
型的分析结果４．６０３ ｍ／ｓ 大３３．４２％。在相同输人条 件下分别对添加轮胎，车身连接点固定前悬架模型
和添加轮胎，车身连接接点施加簧载质量前悬架模 型进行分析，转向节顶部垂直Ｚ向加速度１０秒仿真 结果如图７，可以看出，两者结果基本一致，连接点
固定模型１０秒内均方根值４．６０３ ｒｒｄｓｚ，施加簧载质
量模型１０秒内均方根值４．９４７ｍ／ｓｚ，频域内最大峰值 都出现在０．５Ｈｚ，说明将连接点固定进行载荷提取对 分析结果影响不大。将连接点固定模型得出的转向
节顶部垂向加速度分析结果与相应试验结果比较， １０秒内时域数据如图８，实线表示试验结果，均方根
值４．１５５ ｒｎ／ｓｚ，虚线为仿真结果，均方根值４．６０３ ｍ／ｓ ，两者相差９．７％，频域数据如图９，峰值频率均
在０．５Ｈｚ，这说明利用包含轮胎的前悬架模型进行疲
劳载荷提取，将车身连接点固定，无须考虑簧载质量 能够取得与试验一致的分析结果。利用该模型仿真 提取的左前悬架车身连接点垂向载荷与试验测取的
左前车轮六分力垂向输入力比较，截取１秒内时域 数据如图１０，实线表示仿真结果，此即为疲劳计算
所需载荷谱，虚线为试验数据，可以看出两者幅值大 小基本一致，传递至车身连接点的垂向力稍大于轮
心作用力，且存在一定时间延迟。
４车身疲劳寿命分析
白车身疲劳寿命计算需要获取结构单位载荷应 力场、车身连接点载荷谱和材料疲劳ｌ生能曲线三个
输入条件。局部应变法，即应用材料的应变一寿命曲 线（ｅ—Ｎ曲线）
进行疲劳寿命计算是目前广泛应用的 轻型汽车技术２０１２（５／６）总２７３／２７４ 技术纵横 ｌ９
图６前悬架转向节顶部垂直方向加速度时域仿真结果
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ｌＩ． Ｊ ｋＪｊＩＩｌｌＩ ４ 曲 ＩＩ４ ＩＪｌ ． 【ｌＩＩＪ ｌ
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．．一（，） 图７前悬架转向节顶部垂直方向加速度时域仿真结果
时一（●＇ 图８前悬架转向节顶部垂直方向加速度时域仿真与试验结果
囊事（№） 图９前悬架转向节顶部垂向加速度频域仿真与试验结果
图１ ０左前车轮垂向输入力与左前悬架连接点垂向力比较
方法，它能有效计入缺口、焊缝、应力集中等现象所 产生的局部循环塑性变形效应，其表达式为： ‘
￡ ： ＋ｆ１（１） ￡ ＋ｌ ） （ 式中 ｓ ——应变幅值
——应力幅值
Ｅ一弹性模量
１ 一循环强度系数 环应变硬化指数
１９４５年Ｍｉｎｅｒ提出的Ｐａｌｍｇｒｅｎ—Ｍｉｎｅｒ线形累 计损伤法则是应用最广泛的疲劳损伤理论，该理论
假设：试样所吸收的能量达到极限值ｗ时产生破
坏。在此假设下，若作用在试样上的加载历史由ｍ 个不同的应力水平构成，各应力水平下的循环次数
为ｎｌ，ｎ …，ｎｍ，疲劳寿命为Ｎ ，Ｎ …，Ｎ ，则线形叠加总 损伤为：
Ｄ：∑ ｎｉ （２） ｉ＝ｌ ｌ ｉ 当Ｄ＝Ｉ时，试样吸收的能量达到极限值ｗ，试
样破坏。 基于式（１）、（２）并结合循环应力一应变曲线和材 料８一Ｎ曲线，便可计算随机载荷作用下的构件疲
劳寿命。ＣＡＥ方法进行疲劳寿命分析流程如图１ １。
图１１疲劳分析流程图
某国产研发轻型客车项目中，道路实验出现多 处车身开裂，通过对车身关键件灵敏度分析与动态
优化设计，修改车身结构并在薄弱区域增加加强件 和焊点、焊缝等，如图１２、１３。
图１２
增加的车身钣金件 轻型汽车技术２０１２（５／６）总２７３／２７４ 技术纵横 ２１
的影响，大大节省了研发时间和研发费用，而准确获 取车身连接点载荷是分析结果可信的关键。本文以
开发中的某轻型客车为平台，研究了利用悬架模型 进行车身连接点载荷提取方法，分析了多种悬架模
型方案及其仿真结果并与试验结果进行对比，得到
一种能够准确提取车身连接点载荷的悬架多体动力
学仿真方法。本文方法只需对前后车轮六分力分别 测量，对降低试验成本，提高车身疲劳分析结果可信
度具有重要意义。在某轻型客车研发过程中，利用该 方法提取的载荷谱对车身改进前后进行疲劳寿命分
析，经试验验证取得良好效果。 参考文献
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ＴＲＷ推出具汉字识别功能的触控板
４月５日，ＴＲＷ（天合）汽车控股集团今日发布了一款 内装有先进手写识别软件的新型电容触控板传感器，可以支
持或帮助驾驶员和乘员互相协作及操控各项车载功能。该款 新型触控板具有多项优势：能够提供更佳的人机界面
（ＨＭＩ）、更强的识别功能、更小的包装及更自由的驾驶舱设 计等。 ＴＲＷ车身控制系统高级工程经理Ｆｒａｎｋ Ｋｏｃｈ表示：“
移动连接技术的发展启发了我们在驾驶员与车载应用之间 创建一种更方便使用、更舒适、更安全的单点接触。研究表
明，在车内应用手写识别系统将比应用数字字母键盘减少
７８％的驾驶偏差。“ ’ 手写识别触控板可以作为独立产品，也可用作多功能控制面板。用户用一根手指在触控传感区域内“写
下”单个字符后，软件将会对其进行解读，并发出反馈音确认。触控传感器不仅能够识别手写数字、字母或符 号，它的单一触点还能用来拨打移动电话、开启导航系统、收听收音机，以及发送信息，甚至很有可能替代某 些简单的车内开关。
Ｋｏｃｈ还表示：“该系统的一个关键特性，就是它能够识别手写输入，并能直观快速地操控５口Ｚ＿种应用。第一
次，用户能够直接输入如汉字这样的符号，而无需借助任何辅助设备通过输入拉丁字母来转换，汉字只是一 个例子，您还可以输入多种其他文字符号。触控板技术在全球汽车市场具有很大的发展潜力。”
多功能控制器的设计和安装都极为灵活，可按客户要求进行开发。ＴＲＷ的测试表明，中控台或车门扶手 处是多功能控制器的最佳安装位置。新型触控板技术将于２０１ ２年投入生产。
（盖世汽车网）