載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究

王忠校閆鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究

王忠校閆鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

由于載貨汽車使用工況比較復雜，針對其駕駛室的靜態分析方法已不能滿足疲勞耐久性能要求，因此將基于真實路面譜的疲勞仿真方法引入駕駛室設計分析過程中。結合某載貨汽車駕駛室局部疲勞開裂案例，對路譜采集、信號處理、橡膠襯套特性分析、多體仿真、虛擬載荷迭代和疲勞壽命分析等各關鍵技術點進行了介紹。通過疲勞仿真與結構優化改進，使該載貨汽車駕駛室局部開裂問題得到解決。

1 載貨汽車疲勞仿真方法介紹

載貨汽車駕駛室由薄鈑金件組成，又是系統總成的最終受力環節，其白車身和焊點很容易出現疲勞開裂問題，而設計前期的靜態CAE分析手段已很難校核結構的疲勞強度，因此載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法研究對其性能開發具有十分重要的意義。

目前，載貨汽車疲勞仿真方法主要有兩種：全數字試驗場方法，需要載貨汽車整車多體動力學模型和一個數字化的虛擬試車場；混合路面方法，也叫等效路形法，需要駕駛室及懸置系統多體動力學模型和車架、駕駛室上的目標參考點實測信號，目的是反求系統等效激勵。第一種方法由于需要一個“活動”的動力總成詳細動態模型，因此建模更加困難，除合適的輪胎模型、底盤模型和駕駛員模型外，至少還需要一個數字化試車場模型。相比而言，第二種方法只需要測量車架及駕駛室上的加速度信號及懸置相對位移信號，并建立包含車架的駕駛室及懸置系統多體動力學模型，可以避開輪胎模型精度和路面輪廓采集試驗復雜性的影響，同時結合樣車道路試驗的準確性和多體模型仿真的高效性，利用疲勞等效原理，可以反求出施加在車架上的位移激勵來模擬駕駛室真實運動。

疲勞仿真方法對于載貨汽車駕駛室主要有以下兩種用途：

a.用于解決現有車型駕駛室在實車試驗中的疲勞開裂問題。

可以用現有試驗樣車采集真實的路面譜，并通過其仿真流程計算出實際開裂位置的疲勞損傷值。通過結構改進可以顯著降低其損傷量級，提高開裂位置的疲勞耐久壽命。

b.用于在產品前期設計階段預測其疲勞壽命。

在設計階段實現結構的壽命設計，利用上一代車的路面譜，在制造樣車之前就對車身結構部件的疲勞壽命進行校核并修改設計方案，大大縮短了設計周期，避免了由不合理設計引起的浪費。

疲勞仿真方法是一項動態環境下的綜合性方法，包括道路載荷數據采集（RLDA）、多體虛擬仿真（MBS）、載荷虛擬迭代技術（LVIT）及多軸有限元疲勞壽命預測技術（FEA-FLP）等。圖1為基于疲勞仿真方法的載貨汽車駕駛室開裂問題解決方案具體技術路線。

2 疲勞開裂案例問題描述

某載貨汽車樣車在進行強化路耐久測試約XX km左右時，兩臺樣車的駕駛室均出現前圍開裂、焊接邊撕裂問題。開裂初始位置在前圍圈梁開口上部拐角處，大變形產生的應力使焊接翻邊處受反復擠壓，前圍橫梁、前圍內板及中地板翻邊先撕裂，進而向上傳遞，最終使前圍與風窗下內板搭接邊撕裂；產生最大變形處位于圈梁拐角的下邊緣，并且裂縫不是一條而是若干條，符合疲勞破壞特征。

在前期CAE分析中采用假設的極限工況，即后懸置固定約束，在前懸置處施加強制相對位移工況，用以模擬試驗場耐久路的大扭曲工況，其前圍處應力云圖如圖2所示，實車開裂位置的最大應力均在200 MPa左右，低于其材料的屈服極限（240 MPa），證明在極限靜態工況下結構并未發生屈曲破壞。同時兩臺樣車均是行駛了一定里程才發生破壞，更加證實此處結構是在強化路耐久試驗中各種激勵作用下發生的疲勞破壞，應運用疲勞問題解決方案對失效結構進行系統的疲勞仿真分析。

3 針對實際情況的疲勞仿真分析過程

3.1 路譜測量工作

路譜測量工作的主要目的是獲得一些關鍵點的路譜信號，并依此作為虛擬載荷迭代的目標信號。本次路譜采集工作以發生開裂問題的載貨汽車樣車為目標車型，對其在某試車場的3號強化路進行測試，強化路的典型路段包括石塊路、卵石路、搓板路和扭曲路等。

試驗車載荷狀態為滿載，駕駛室質量為325 kg，包括駕駛室內乘員3人（駕駛員位置1人，副駕駛位置1人，后排座位1人）和操作儀器、沙袋。根據規定的車速進行試驗，主要采集信號為懸置上（駕駛室）和懸置下（車架）的三向加速度信號和懸置相對位移信號，傳感器布置與典型信號如圖3所示。

3.2 橡膠懸置特性測試及動態剛度阻尼的獲得

由于該款載貨汽車的前、后懸置均采用固定橡膠懸置布置形式，因此其懸置系統的剛度阻尼特性獲得至關重要，特別是動態剛度及動態阻尼，其不僅與頻率有關，還與運動幅值相關，直接決定了系統模型的非線性程度。在后續載貨汽車駕駛室懸置系統多體動力學建模中，懸置動態特性參數作為輸入，可以充分反映駕駛室懸置系統在實際強化路行駛時的動態特性。

傳統的橡膠懸置靜剛度測試無法滿足系統動態特性要求，目前橡膠襯套動態參數試驗采用MTS振動臺，只能輸出襯套不同方向下的靜態剛度和隨頻率變化的動剛度（不同幅值），其動剛度曲線值由該頻率下力—位移曲線峰值（兩個點）確定，并未考慮該頻率下遲滯回線形狀的影響，而遲滯回線形狀代表其能量損耗即動態阻尼，如圖4所示。

為了獲得在不同幅值、不同頻率下擬合出的動剛度曲線及阻尼曲線，需要設計一個新的試驗方法，試驗方案應覆蓋一定范圍振幅和頻率，具體如表1所示。表中，NL S/D表示非線性動態加載。正弦加載試驗中的頻率值應至少循環10次，以保證遲滯回線的穩定性。

測試后的數據輸入到一個自制的MATLAB分析處理程序中，以擬合出可用的非線性剛度和阻尼曲線，最終獲得的橡膠懸置非線性曲線（以左、后懸置Z向為例）如圖5所示。

表1 橡膠懸置試驗表格

3.3 全內飾車身建模及慣性釋放計算

車身疲勞壽命預測使用慣性釋放方法提供外力以平衡沒有約束的自由狀態車身，外力等效于車身結構的慣性響應。為了模擬真實情況，車身模型結構應具有正確質量分布，因此提出了全內飾車身結構建模。

全內飾車身模型，除白車身結構之外，還包含剛性連接到車身上的車門、內外飾及附件等結構的質量和慣量信息。車輛總質量、局部質量分布及質心位置應該與試驗車輛一致，以保證全內飾車身模型與試驗車輛的動態效果一致，同時也要考慮試驗時車內乘員和壓艙物的質量。

將全內飾車身有限元模型的質量結果與K&C試驗臺結果進行對比，模型質量與試驗值只相差1.5 kg，轉動慣量結果誤差也在合理范圍內，說明全內飾車身建模的精度較高，其有限元模型可以作為疲勞仿真分析的輸入。

依據此全內飾車身模型可以進行慣性釋放計算，本項目使用MSC.Nastran求解器，僅考慮線性準靜態有限元分析。每個車身接口點各方向載荷分別定義一個單位載荷工況，計算出單位載荷下結構的應力分布，疲勞分析中要輸入車身外部時間歷程載荷來縮放此單位應力分布結果。

3.4 多體動力學建模

多體動力學模型作為載荷預測技術中的重要環節，反映了載貨汽車駕駛室懸置系統的動力學響應特性，作為虛擬載荷迭代中的傳遞函數直接影響了施加在全內飾車身模型上的載荷準確度。

載貨汽車駕駛室懸置系統的多體動力學模型建立是一個復雜的系統工程，如圖6所示，需要確定系統的硬點位置、部件連接關系、剛體質量質心和轉動慣量參數以及橡膠懸置的線性或非線性特性參數，同時還要考慮實際路試時駕駛室內成員儀器配重、車架的柔性化處理、驅動位置及傳感器布置位置等問題。在模型建完后還需要對其進行靜平衡測試及運動學測試以確保模型準確性。

本文建立的多體動力學模型由7部分組成，包括駕駛室、駕駛室內配重（駕駛員及儀器）、橡膠懸置的剛度及阻尼特性曲線、各種連接關系（運動副）、柔性車架、作為迭代目標的傳感器和虛擬驅動。

3.5 虛擬載荷迭代

駕駛室疲勞分析時需要得知施加在駕駛室上的時間歷程載荷，但由于其無法測得，只能將其他實際測得的信號值（如駕駛室或車架上的加速度信號）作為迭代目標，將多體模型作為傳遞函數，通過反復迭代，使響應信號無限接近目標期望信號，最終反算出加在車架上的近似位移驅動，進而獲得施加在駕駛室上的時間歷程載荷即虛擬載荷迭代。

圖7為參考信號和響應信號的虛擬載荷迭代結果對比，以魚鱗坑工況左前懸置處駕駛室上的Z向加速度信號為例，通過對比發現，參考（目標）信號與仿真響應信號在時域、頻域和程對計數上吻合度都比較理想。

通過以上對比可以認為迭代模型精度較高，依此迭代出的驅動準確，計算出的懸置接口點載荷真實可信。最終計算出的懸置接口點載荷如圖8所示（以魚鱗坑工況左前懸置XYZ3向力為例）。

3.6 疲勞壽命分析與結構改進措施

疲勞壽命分析時需要慣性釋放單元應力結果和懸置輸出時間歷程載荷疊加計算，同時需要輸入材料的特性曲線及修正參數，利用應力或應變壽命分析方法，得到車身結構的損傷分布。本文的案例應用應變壽命分析方法，即ε—N法，如圖9所示，主要針對低周疲勞（102～105次循環）工況，應力水平較高，其峰值應力常高于材料的彈性極限，有明顯的宏觀塑性變形。ε-N法能針對汽車結構件的缺口效應及應力集中影響所產生的局部循環塑性變形計算其疲勞損傷，主要表達式即Manson-Coffin方程為：

式中，εa為應變幅值；σ′f為疲勞強度系數；ε′f為疲勞塑性系數；b為疲勞強度指數；c為疲勞塑性指數；Ni為各種應變幅下的壽命。

金屬材料在低周疲勞初期，由于循環應力作用，會出現循環硬化和循環軟化現象，對于該特性，有以下公式即Ramberg-Osgood方程表述：

式中，εa為應變幅值；σa為應力幅值；E為彈性模量；K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數。

一般情況下運用Palmgren-Miner理論，即Miner線性疲勞累積損傷法則計算疲勞損傷：

式中，D為總的疲勞損傷；ni為某應力水平下的循環次數；Ni為該應力水平下材料達到破壞的總循環次數；N為總疲勞壽命。

式（1）與式（2）相結合得到試驗或經驗材料曲線，根據Miner線性損傷累積法則與平均應力修正即可計算結構的疲勞壽命。

首先針對原駕駛室結構不足進行了改進，改進措施如下：

a.前圍加強梁結構優化

改善發動機艙開口處主要承載梁即前圍加強梁結構，形成整體式加強梁結構，避免由于兩件搭接出現應力集中，可提高前圍局部剛度，同時增大發動機艙左側拐角半徑，盡量保證兩拐角位置強度一致，如圖10所示。

b.前圍內部結構優化

通過增加與前圍加強梁相對應的內部結構件，可以加大地板發動機艙內部的結構斷面，提高抗彎能力，同時保證加強梁與風窗下橫梁和地板形成連續加強結構，避免剛度突變。加強結構關鍵連接部位采用螺栓固定，以提高連接強度，如圖11所示。

根據駕駛室原結構與改進結構進行疲勞壽命分析，結果如圖12所示。

通過計算得到結構的疲勞損傷和疲勞循環次數，經過轉化可得到其里程壽命，其原結構開裂處的壽命與實際壽命比值為0.85，在疲勞標準誤差范圍內（0.5～2）。結構改進后的疲勞壽命為原結構的250倍左右，疲勞強度得到了明顯增強。結構改進后的試制樣車已通過了累計12 000 km的強化路測試與臺架耐久測試，車身未出現任何疲勞開裂問題，證明針對載貨汽車駕駛室的疲勞壽命預測技術精度較高。

4 結束語

結合某載貨汽車駕駛室局部疲勞開裂的案例，對載貨汽車駕駛室的疲勞仿真方法進行論述，對路譜采集、信號處理、橡膠襯套的特性分析、多體建模、虛擬載荷迭代和疲勞壽命分析等各關鍵技術點進行了系統描述，最終針對疲勞計算結果采取了相應的結構改進，使該款載貨汽車通過了道路試驗和臺架試驗考驗，滿足了其設計使用要求。充分證明，利用疲勞仿真方法完全可以解決因疲勞破壞造成的駕駛室開裂現象，同時對早期駕駛室設計起到了很好的指導意義，即在樣車生產前就可以對其疲勞壽命進行預測。

通過對載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法的研究，建立起載貨汽車駕駛室及懸置系統疲勞仿真平臺，平臺中涵蓋了設計、試制、試驗、仿真、分析等多學科集成的閉環系統。隨著后續研究的深入，這套疲勞仿真平臺也有助于懸置系統及內外飾附件的優化設計，實現駕駛室總成、內外飾附件及懸置系統的性能合理匹配。

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2李飛，郭孔輝，等.汽車耐久性分析底盤載荷預測方法研究綜述.科學技術與工程，2010，10（24）：5960～5964.

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4肖志金，朱思洪.基于虛擬樣機技術的輕型載荷汽車車架疲勞壽命預測方法.機械設計，2010，27（1）：59～63.

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9Kang D，Heo S and Kim H.Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method For VPG Simulation. SAE，2009-01-0814.

10Sawa N，Nimiya Y and Kubota Y.Fatigue Life Prediction on Rough Road Using Full Vehicle Co-simulation Model with Suspension Control.SAE，2010-01-0952.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Research on Durability Simulation Approach of Truck Cab

Wang Zhongxiao，Yan Xin，Guo Maolin，Xu Zhonghao，Jiang Di
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

As a result of complex service conditions of duty trucks，cab static analysis can not satisfy fatigue and durability requirement，therefore the durability simulation Approach based on real road spectrum is introduced to cab design analysis.Based on the local cracks of a truck cab，some key technical points including road spectrum data acquisition，signal processing，feature analysis of rubber bushing，multi-body simulation，virtual load iteration and fatigue life analysis，etc.，are introduced.By means of fatigue simulation and structural optimization，local cracks in the truck's cab have been avoided.

Truck,Cab,Fatigue simulation method,Virtual load iteration

載貨汽車駕駛室疲勞仿真方法虛擬載荷迭代

U463.81

A

1000-3703（2014）07-0054-05