李高偉，王顯會(huì)，張 明，周云波，孫曉旺，樊曉都

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心， 武漢 430056)

2017年，我國汽車總產(chǎn)量達(dá)到2901.54萬輛，各廠商不斷推出新車型，同時(shí)有些汽車因零部件出現(xiàn)疲勞裂紋等問題導(dǎo)致車輛被召回，存在安全隱患。在新車型開發(fā)初期，通過疲勞耐久性仿真分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，滿足車輛耐久性要求，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。新車設(shè)計(jì)為檢測車輛結(jié)構(gòu)可靠性，需要在試驗(yàn)場完成路試實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化路面的高頻激勵(lì)在可靠性實(shí)驗(yàn)中具有重要作用。本研究建立石塊路和波形路兩種強(qiáng)化路面，通過仿真分析驗(yàn)證路面建立的可行性，以及應(yīng)用材料信息庫和材料修正模型，增加仿真的準(zhǔn)確性。

國外在多種軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真有了一定的進(jìn)展，并討論了車輛各個(gè)系統(tǒng)之間的連接類型對(duì)仿真結(jié)果的影響。Yi和Darren等[1]對(duì)焊點(diǎn)做仿真分析，得到一種對(duì)汽車焊點(diǎn)疲勞分析很適用的一種方法。H.S，H.J和Kim C B[2]將剛?cè)狁詈蠎?yīng)用于疲勞仿真動(dòng)力學(xué)模型，仿真得到載荷譜，完成整車疲勞仿真分析。Lin和Shan等[3]研究分析懸架系統(tǒng)的建立，對(duì)仿真分析具有一定的影響。Edar等[4]通過仿真分析建立虛擬試驗(yàn)場，為仿真分析得到載荷譜提供了一種路面激勵(lì)。Dannbauer等[5]利用有限元、多體動(dòng)力學(xué)和虛擬迭代等技術(shù)聯(lián)合仿真，應(yīng)用新的方法完成汽車疲勞壽命分析。國內(nèi)在剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證較多，剛?cè)狁詈系哪Ｐ驮诜抡鎸?shí)驗(yàn)中更加的貼近實(shí)際。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)獲取車體所用材料的屬性信息。曹建[6]利用實(shí)車疲勞耐久性試驗(yàn)獲取載荷譜，仿真對(duì)標(biāo)，得到部件的載荷譜。張瑞俊和尹亞平[7]等以載荷和材料屬性為變量，分析某型車懸架疲勞損傷的原因。柳亮等[8]應(yīng)用實(shí)測獲得載荷譜數(shù)據(jù)，結(jié)合CAE技術(shù)，進(jìn)行疲勞壽命分析。馮亞杰[9]建立某車型的剛?cè)狁詈系亩囿w動(dòng)力學(xué)模型，獲取目標(biāo)模型不同路面激勵(lì)下的載荷譜。

上述文獻(xiàn)中分別研究了多體動(dòng)力學(xué)模型建立在疲勞分析中的應(yīng)用和其他一些影響仿真精度的仿真方法研究，但所應(yīng)用的仿真路面大部分為根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7031-86自動(dòng)生成的8級(jí)路面。本研究應(yīng)用試驗(yàn)場路面的高程信息，建立強(qiáng)化路面，應(yīng)用高頻激勵(lì)模擬軍用車輛在戰(zhàn)場環(huán)境下的疲勞壽命。

1 強(qiáng)化路面分析及疲勞分析方法

強(qiáng)化路面主要包括搓板路、石塊路，卵石路、扭曲路、坑洼路等，試驗(yàn)場路面采集高程信息可采用慣性參照道路縱斷剖面檢測系統(tǒng)[9]。基于有限元方法的疲勞仿真分析主要應(yīng)用疲勞分析理論進(jìn)行疲勞壽命分析，主要的疲勞分析方法有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力一應(yīng)變法、裂紋擴(kuò)展法、頻域分析法等[10]。

1.1 強(qiáng)化路面建立

搓衣板路是通過不同規(guī)格的條形長方體組成并在上方鋪設(shè)等厚度柏油所形成的路面。其尺寸信息如圖1所示。

示意圖中矩形條為搓衣板路上的條形長方體，D為相鄰兩個(gè)條形長方體間距，約為600～620 mm，W為條形長方體的寬度，約為400～420 mm，H為條形長方體的高度，約為13～18 mm。

搓衣板路仿真載荷譜如圖2所示。

圖1 搓衣板路示意圖

圖2 搓衣板路仿真載荷譜

石塊路又稱為比利時(shí)路，路面根據(jù)石塊大小和間距分為重型、中型和輕型3種路面，為保證各級(jí)路面可以按比例混合比利時(shí)路面，一般比利時(shí)路面建成寬為4 m，長為50 m的統(tǒng)一規(guī)格的石板塊[11]。建立的仿真比利時(shí)路面石塊沿車行駛方向均勻分布，比利時(shí)路所用石塊信息如表1所示。

表1 比利時(shí)路石塊信息

比利時(shí)路面示意圖如圖3所示，其中W為路寬，約為4 mm。

圖3 比利時(shí)路面示意圖

1.2 疲勞分析方法

根據(jù)對(duì)載荷譜處理方式的不同，分為靜力學(xué)分析法和頻域分析方法[12]。靜力學(xué)分析法為根據(jù)采集的應(yīng)力或應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)合有限元的靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行疲勞分析。頻域分析法是將載荷譜的時(shí)域信息轉(zhuǎn)化為頻域信息，將載荷譜轉(zhuǎn)化為應(yīng)力功率譜，結(jié)合車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)和頻響分析結(jié)果，完成基于頻域的疲勞分析。對(duì)于大時(shí)長和考慮較多的加載載荷信息時(shí)，應(yīng)用頻域分析法計(jì)算效率更高[13]。本文主要研究基于搓衣板路和石塊路的車身疲勞分析，選用時(shí)域分析方法。

時(shí)域分析方法需要考慮外部載荷激勵(lì)和有限元靜態(tài)分析，根據(jù)有限元模型的靜態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行多個(gè)載荷通道的加載輸入，即為根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得的外界輸入載荷歷程，與有限元分析中單位載荷作用的靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果相乘疊加求和計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力，可以用以下公式表示

(1)

其中：Pk(t)為載荷時(shí)間歷程；Pk,fea為靜載荷情況下力的大??；σi, j, k為加載k作用下點(diǎn)ij的靜態(tài)力。

在線性疲勞累積損傷理論中，應(yīng)用最為廣泛的為Miner法則。該理論假設(shè)每個(gè)應(yīng)力激勵(lì)對(duì)材料的影響相互獨(dú)立，總損傷則線性疊加[14]。Miner 法則假設(shè)：材料當(dāng)疲勞損傷累積到一定值就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。假設(shè)材料吸收能量達(dá)到W時(shí)放生疲勞破壞，此時(shí)總循環(huán)次數(shù)為N，當(dāng)試樣循環(huán)次數(shù)為ni時(shí)，吸收的能量為wi，則

(2)

假設(shè)某個(gè)構(gòu)件加載L個(gè)不同的應(yīng)力σ1，σ2,σ3,σ4,…,σL,對(duì)應(yīng)L個(gè)不同的疲勞壽命N1，N2,N3,N4,…,NL其循環(huán)的次數(shù)為n1，n2,n3,n4,…,nL,則構(gòu)件的損傷為

(3)

當(dāng)吸收的能量達(dá)到W時(shí)，試件發(fā)生疲勞破壞。

根據(jù)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建材料S-N曲線，并應(yīng)用Goodman方法修正，因采用全壽命分析方法，進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。全壽命分析法又稱為名義應(yīng)力法或應(yīng)力-壽命法[15]。S-N曲線是指材料的應(yīng)力和壽命的關(guān)系曲線。該方法主要應(yīng)用材料的S-N曲線，參考部件的危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)以及名義應(yīng)力，根據(jù)疲勞累積理論計(jì)算疲勞壽命[16]。

2 疲勞壽命分析

整車的疲勞壽命分析，綜合多個(gè)軟件平臺(tái)的共同實(shí)現(xiàn)，為方便理解，對(duì)某型車的疲勞壽命分析的步驟如圖4所示。

2.1 多體動(dòng)力學(xué)仿真

多體動(dòng)力學(xué)模型的建立準(zhǔn)確性，決定仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)用剛?cè)狁詈辖⒍囿w動(dòng)力學(xué)模型，可以提高實(shí)驗(yàn)的精度[17]。建立彈簧、橡膠、阻尼器和一些可以變形桿件的柔性體模型，模型車輛的無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件建立為剛性體。通過建立目標(biāo)車輛的多體動(dòng)力學(xué)模型，在Adams軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。根據(jù)法規(guī)要求，仿真模擬多體動(dòng)力學(xué)模型在兩種強(qiáng)化路面下的試驗(yàn)工況，提取車身四個(gè)懸置處的六分力載荷譜數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 分析流程框圖

圖5 車身右前Z向力載荷譜

圖6 搓衣板路車身右前Z向力載荷譜

提取車身四個(gè)懸置點(diǎn)六分力載荷譜作為疲勞分析的載荷輸入，為保證載荷譜加載連續(xù)性，應(yīng)用Graphworks軟件品臺(tái)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2 有限元仿真分析

2.2.1有限元模型建立

需要對(duì)所分析目標(biāo)車型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，為保證仿真精度，需要保證網(wǎng)格質(zhì)量，焊點(diǎn)采用殼單元模擬[18]。

建立目標(biāo)車輛的有限元模型，如圖7所示。

對(duì)有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行控制，該有限元模型共包含507 542個(gè)單元，其中四邊形單元有476 284個(gè)，三角形單元有2 600個(gè)和26 865個(gè)焊點(diǎn)單元，其中三角形單元占單元總數(shù)的0.54%，單元質(zhì)量較好，所有車身結(jié)構(gòu)零件的材料特性定義為線性彈性。

2.2.2有限元分析

基于靜力學(xué)的疲勞分析方法，需要對(duì)車身的有限元仿真模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。在車身四個(gè)懸置點(diǎn)分別加載單位六分力，對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真，邊界條件如圖8所示。

圖7 目標(biāo)車輛有限元模型

圖8 邊界條件

有限元模型分析時(shí)，在車身每個(gè)懸置點(diǎn)處添加單位六分力，分別為三個(gè)方向力和三個(gè)方向的力矩，計(jì)算有限元模型產(chǎn)生的應(yīng)力，包括最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力和Tresca應(yīng)力等，可以用來確定結(jié)構(gòu)模型上每個(gè)單元或節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命。

靜力分析中采用慣性釋放的方法，即慣性釋放的方法可以在施加虛假的反力約束，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)力作用的平衡，消除約束點(diǎn)的反力而提高計(jì)算精度[18]。當(dāng)外力作用在部分或者完全沒有約束的部件上時(shí)，會(huì)在自由約束的方向上產(chǎn)生剛體加速度，部件會(huì)受到慣性力的作用，運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

應(yīng)用慣性釋放的方法可省去查找約束的過程，在有限元計(jì)算中，約束不足或者約束過多將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，采用慣性釋放的方法在MSC.Nastran軟件平臺(tái)上對(duì)整車進(jìn)行靜力學(xué)分析，可提高有限元計(jì)算精度。

2.3 疲勞壽命分析

應(yīng)用局部應(yīng)變法(ε-N方法)和全壽命法(S-N法)分析某軍用越野車白車身疲勞壽命。疲勞分析流程如圖9所示。

圖9 疲勞分析流程框圖

疲勞分析中結(jié)構(gòu)材料的準(zhǔn)確性，關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確層度，本研究所采用的材料源于實(shí)驗(yàn)室所建立的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)材料庫，本研究中所應(yīng)用的材料有防彈鋼、大梁鋼和Q235，其材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

利用疲勞分析軟件，導(dǎo)入仿真得到的載荷譜文件和有限元分析文件，設(shè)定材料的特性曲線，并賦予模型的各個(gè)部分，控制分析流程，得到疲勞壽命分析結(jié)果。

3 疲勞壽命結(jié)果分析

3.1 單位載荷下應(yīng)力結(jié)果

單位載荷作用下車身應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 單位載荷作用下白車身應(yīng)力云圖

3.2 全壽命法(S-N法)計(jì)算得白車身疲勞壽命

3.2.1滿載工況

由圖11和表3可以看出，在滿載工況下車身最短的疲勞壽命為0.538 4×104個(gè)循環(huán)，發(fā)生疲勞破壞的位置在中通道左側(cè)三塊板焊接位置。

圖11 滿載工況白車身損傷分布

表3 滿載工況部分危險(xiǎn)單元號(hào)

3.2.2空載工況

由圖12和表4可以看出，在空載工況下車身最短的疲勞壽命為1.473×104個(gè)循環(huán)，發(fā)生疲勞破壞的位置同樣在中通道左側(cè)三塊板焊接位置。

在實(shí)車上找到對(duì)應(yīng)位置，發(fā)現(xiàn)該位置由三塊板拼焊而成，容易應(yīng)力集中，在該位置增加焊縫補(bǔ)強(qiáng)板，改善該處的焊接缺陷。

圖12 空載工況白車身損傷分布

表4 空載工況部分危險(xiǎn)單元號(hào)

4 結(jié)論

通過建立車輛在野外復(fù)雜路面受到高頻激勵(lì)的多體動(dòng)力學(xué)模型，仿真得到車身懸置處的六分力載荷譜數(shù)據(jù)，以此為邊界條件，結(jié)合靜力學(xué)分析，完成對(duì)某型車的疲勞壽命分析。

根據(jù)分析結(jié)果在實(shí)車上找到相應(yīng)位置，找到影響其壽命的具體原因，并進(jìn)行改進(jìn)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。戰(zhàn)場路面環(huán)境復(fù)雜，需不斷進(jìn)行修正路面模型和統(tǒng)計(jì)車輛的行駛工況。