基于隨機(jī)載荷的白車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測*

龍海強(qiáng),胡玉梅,劉 波，金曉清，朱 浩

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044；3.長安汽車工程研究院，重慶 401120)

2016158

基于隨機(jī)載荷的白車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測*

龍海強(qiáng)1，2,胡玉梅1,2,劉 波3，金曉清1,2，朱 浩1,2

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院,重慶 400044；3.長安汽車工程研究院，重慶 401120)

針對車輛開發(fā)過程試車場試驗(yàn)中的焊點(diǎn)疲勞失效這一普遍現(xiàn)象，根據(jù)道路試驗(yàn)要求采集車輛耐久試驗(yàn)路面載荷譜,并通過虛擬迭代的方法獲得了某車型車身與底盤19個連接點(diǎn)的三向力和力矩載荷的時間歷程。建立白車身與焊點(diǎn)有限元模型，應(yīng)用Nastran慣性釋放法計算各連接點(diǎn)單位載荷激勵下焊點(diǎn)和周邊鈑件的應(yīng)力分布。以虛擬迭代的載荷譜為激勵，完成焊點(diǎn)疲勞分析與累積損傷疊加，預(yù)測了設(shè)計焊點(diǎn)的潛在風(fēng)險并通過局部增加焊點(diǎn)和優(yōu)化焊點(diǎn)布置提升了焊點(diǎn)的疲勞壽命。

白車身；焊點(diǎn)；疲勞壽命；載荷譜；虛擬迭代

前言

電阻點(diǎn)焊以其高效率、低成本等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車等大規(guī)模薄板裝配制造業(yè)，是車身裝配制造關(guān)鍵技術(shù)之一。通常，轎車白車身由5 000～7 000個焊點(diǎn)完成裝配[1-2]，大量的焊點(diǎn)不僅是白車身裝配連接的需要，也是白車身承受扭轉(zhuǎn)、顛簸、碰撞等條件下零部件之間載荷傳遞的主要途徑。由于點(diǎn)焊連接的離散性，在其連接位置形成幾何突變，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。同時，點(diǎn)焊連接是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，局部焊接板材瞬間加熱熔化并以高達(dá)1 200℃/s的速度冷卻形成焊核[3-4]。該加工過程常常伴有不可避免的夾雜、孔隙[5-6]等缺陷殘留在焊核區(qū)，從而影響焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和疲勞壽命。

道路耐久試驗(yàn)是整車產(chǎn)品開發(fā)過程中不可或缺的試驗(yàn)。其結(jié)合用戶使用特點(diǎn)以及試驗(yàn)場典型路面設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行用戶當(dāng)量里程試驗(yàn)以評估汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)耐久性能[7-9]。整車道路試驗(yàn)中焊點(diǎn)疲勞失效是常見現(xiàn)象，并且進(jìn)一步導(dǎo)致車身鈑金撕裂和車身結(jié)構(gòu)耐久性能下降。整車開發(fā)中試驗(yàn)-改進(jìn)-再驗(yàn)證的開發(fā)模式不僅成本高，而且周期長。而對道路試驗(yàn)隨機(jī)載荷激勵的疲勞問題不能通過保守的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞等CAE仿真獲得滿意的答案。這一現(xiàn)象難以與日益激烈的市場競爭和苛刻的用戶需求相適應(yīng)。因此，在車身開發(fā)初期考慮試驗(yàn)隨機(jī)載荷條件下的車身焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測對降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期具有重要的工程應(yīng)用價值。

隨著計算軟硬件和CAE技術(shù)在疲勞仿真領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛與成熟，與整車道路試驗(yàn)相結(jié)合以實(shí)測道路譜載荷為激勵的疲勞仿真技術(shù)正成為汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的重要途徑[10-11]。本文中介紹在某車型開發(fā)中，以參考車為基礎(chǔ)采集試驗(yàn)場典型路面載荷譜，通過虛擬迭代的方法獲得車身與底盤連接點(diǎn)載荷時間歷程并用于設(shè)計車身焊點(diǎn)疲勞壽命仿真與優(yōu)化。通過對焊點(diǎn)疲勞壽命計算與累積損傷疊加，在車身設(shè)計數(shù)據(jù)凍結(jié)前發(fā)現(xiàn)了設(shè)計數(shù)據(jù)中潛在的危險焊點(diǎn)并以增加焊點(diǎn)和優(yōu)化焊點(diǎn)布置的方法來提升車身焊點(diǎn)疲勞壽命。

1 載荷采集

試驗(yàn)場道路載荷是車輛場地耐久試驗(yàn)的載荷源，通過采集車輛對試驗(yàn)場地路面的響應(yīng)信號并反求路面輸入不僅可用于整車產(chǎn)品開發(fā)耐久性仿真，也可用于車輛快速臺架耐久試驗(yàn)。

1.1 采集方案

為盡可能在設(shè)計階段進(jìn)行車輛疲勞仿真，雜合車或者參考車是常見載荷采集用車。為確保采集載荷的適用性，載荷采集車輛與設(shè)計開發(fā)車輛狀態(tài)相關(guān)性是重要的參考條件。本文中選擇以設(shè)計開發(fā)的參考車作為采集車輛，兩者具有相同的輪距、軸距和懸架形式(前麥弗遜懸架、后扭力梁)，且兩者整備質(zhì)量相差約50kg。采集車輛按設(shè)計車狀態(tài)匹配車輛前后軸荷、輪荷，并完成測量點(diǎn)相應(yīng)測量裝置安裝、標(biāo)定。因車輛結(jié)構(gòu)整體上對稱分布，以左側(cè)為例其主要測量點(diǎn)對應(yīng)的測量信號如表1所示。數(shù)據(jù)采集時還包括GPS車速記錄、開關(guān)控制量等共計42個信號通道。

表1 測量點(diǎn)與測量信號

1.2 數(shù)據(jù)采集

為獲得車輛實(shí)際道路行駛的載荷信息，本文中結(jié)合整車可靠性道路試驗(yàn)規(guī)范，應(yīng)用eDaq采集系統(tǒng)采集參考車滿載狀態(tài)在襄樊試驗(yàn)場耐久路面行駛的載荷譜信息。車輛采集準(zhǔn)備以及采集設(shè)備如圖1所示。

其中車輛載荷譜采集的主要路面及規(guī)定車速如表2所示。為保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，本次數(shù)據(jù)采集進(jìn)行3次重復(fù)操作，且每次采集結(jié)束均需查看采集信號是否穩(wěn)定。采集試驗(yàn)中駕駛員在各種路面完成規(guī)定的試驗(yàn)操作，GPS車速記錄結(jié)果顯示最大車速誤差小于3km/h。

表2 采集路面與車速

2 虛擬迭代

通過對車輛在試驗(yàn)路面的載荷采集，獲取車輛輪心、球銷、擺臂、扭力梁、車身等采集點(diǎn)時域內(nèi)三向加速度、應(yīng)變、位移等測量信號。這些信號實(shí)質(zhì)上是車輛結(jié)構(gòu)對路面激勵的輸出響應(yīng)，不能直接用于結(jié)構(gòu)疲勞仿真。為此，在FEMFAT-LAB中調(diào)用整車多體動力學(xué)模型，以輪心位移為驅(qū)動并輔助其他測量信號迭代出零部件連接點(diǎn)的時域載荷信號，即為零部件輸入點(diǎn)載荷時間歷程。

2.1 迭代原理

如果將整車多體模型定義為一個系統(tǒng)，其輸入輸出信號的關(guān)系定義為系統(tǒng)傳遞函數(shù)F(x)。為求解整車多體模型傳遞函數(shù)，以白噪聲u0(x)為輸入信號驅(qū)動多體動力學(xué)模型，系統(tǒng)輸出信號為y0(x)，則傳遞函數(shù)F(x)為

F(x)=y0(x)/u0(x)

(1)

載荷采集試驗(yàn)獲得采集點(diǎn)相關(guān)測量信號，即系統(tǒng)輸出信號ym(x)。通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)的逆函數(shù)F-1(x)即可反求系統(tǒng)輸入信號。求解的第一個輸入信號u1(x)為

u1(x)=F-1(x)ym(x)

(2)

將反求的輸入信號u1(x)施加給整車多體模型，得到輸出響應(yīng)y1(x)，比較y1(x)與ym(x)，如果其結(jié)果滿足誤差要求，則可結(jié)束迭代。由于整車多體模型是一個非線性系統(tǒng)，而傳遞函數(shù)是線性關(guān)系，因此需要反復(fù)迭代逐漸逼近測量值并最終獲得誤差允許的輸入載荷。迭代公式為

un+1(x)=un(x)+F-1(x)(ym(x)-yn(x))

(3)

2.2 載荷提取

迭代信號與實(shí)測信號的比較是判斷虛擬迭代關(guān)鍵。為確保迭代結(jié)果的可靠性，通常分別從信號的時域、頻域和相對損傷值3個方面進(jìn)行評價[12]。當(dāng)?shù)`差滿足評價要求時即可停止迭代，最終迭代得到的外力驅(qū)動多體模型即可分解并提取車身與底盤各部件的載荷時間歷程信號。該載荷時間歷程即為各種路面激勵對應(yīng)的疲勞分析輸入條件。以左前減振器與車身連接點(diǎn)為例，虛擬迭代所提取的比利時路面Z向力-時間歷程信號及局部放大如圖2所示。其中橫坐標(biāo)值為采樣點(diǎn)數(shù)，采樣頻率為1s采集1 024個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3 焊點(diǎn)疲勞預(yù)測

焊點(diǎn)的疲勞失效在試驗(yàn)中主要表現(xiàn)為焊點(diǎn)結(jié)合面失效和焊點(diǎn)周邊鈑金撕裂失效兩種形式。為預(yù)測焊點(diǎn)的疲勞壽命并節(jié)約計算資源，本文中計算焊點(diǎn)疲勞損傷時僅將Bar單元焊點(diǎn)及其周邊3層shell單元為參與對象，以虛擬迭代的載荷時間歷程為激勵進(jìn)行計算。

3.1 車身及焊點(diǎn)模型處理

焊點(diǎn)連接是影響車身剛度和連接鈑金強(qiáng)度的重要因素。目前在有限元分析中有多種模擬焊點(diǎn)的方法。同時，焊點(diǎn)在車身連接中為離散分布，不宜孤立地建立焊點(diǎn)單元，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算。本文中在有限元建模中使用基本尺寸為15mm×15mm的shell單元模擬車身鈑金結(jié)構(gòu)。白車身單元總數(shù)為724 147，其中四邊形單元697 804個。焊點(diǎn)模型采用Bar單元通過Rbe3與shell單元連接進(jìn)行載荷傳遞,白車身與局部焊點(diǎn)模型如圖3所示。

本文中采用文獻(xiàn)[13]中提出的基于力的方法進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞分析，焊點(diǎn)及連接單元的內(nèi)力和力矩載荷用于估算焊點(diǎn)強(qiáng)度，并且無需改變局部單元。通過作用在梁單元兩端的力和力矩載荷計算焊點(diǎn)和周邊鈑金應(yīng)力并以此進(jìn)行S-N疲勞壽命計算。該方法對焊點(diǎn)(Nugget)局部載荷關(guān)系的描述如圖4所示。

圖中以焊點(diǎn)中心為原點(diǎn)，距離原點(diǎn)任意距離r的應(yīng)力為

δrsum=CpFz+Cb(-Mycosθ+Mxsinθ)-

Cs(Fxcosθ+Fysinθ)

(4)

式中：d為焊點(diǎn)直徑；D為法向應(yīng)力計算定義的圓盤直徑；t為焊接板材厚度；Fi和Mi(i=1,2,3)為作用于焊點(diǎn)的三向力和力矩載荷；θ為焊點(diǎn)局部坐標(biāo)x-y平面內(nèi)應(yīng)力點(diǎn)與x軸的夾角。

3.2 焊點(diǎn)壽命計算與優(yōu)化

以采集的路面載荷結(jié)合多體動力學(xué)模型進(jìn)行虛擬迭代后獲得了比利時路、卵石路、石塊路等各種典型路面條件下底盤與車身19個連接位置時域載荷譜信號，共計114個通道。其中各連接點(diǎn)包括3個力和3個力矩載荷。通過對白車身與底盤相應(yīng)的連接點(diǎn)施加114個單位載荷工況并約束整車質(zhì)心在車身地板的投影點(diǎn)進(jìn)行慣性釋放的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，獲得單位載荷下焊點(diǎn)及周邊鈑金的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。分析時的邊界條件如圖5所示。

通過單位工況分析獲得焊點(diǎn)承載信息和焊點(diǎn)周邊單元的應(yīng)力分布。通過模型縮減，僅保留焊點(diǎn)及其周邊3層shell單元用于焊點(diǎn)疲勞分析。在FEMFAT中導(dǎo)入縮減的焊點(diǎn)、鈑金單元和單位載荷分析的應(yīng)力結(jié)果，分別以每段路面載荷時間歷程進(jìn)行分段的疲勞損傷計算。每段路面疲勞計算完成后按照Miner法則和可靠試驗(yàn)規(guī)定的各典型路面循環(huán)次數(shù)進(jìn)行線性疊加,焊點(diǎn)累積疲勞損傷為

(4)

式中：D為全試驗(yàn)里程的累積損傷，通常認(rèn)為累積損傷D≥1.0即出現(xiàn)疲勞失效；Ni為第i種典型路面的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)；Di為第i種典型路面單次循環(huán)的損傷值；m為典型路面種類數(shù)。結(jié)合車輛道路試驗(yàn)規(guī)范，每段路面完成規(guī)定次數(shù)的循環(huán)。該車基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)焊點(diǎn)疲勞損傷分析結(jié)果顯示，在后排座椅安裝點(diǎn)、扭力梁安裝座、門檻梁和C柱與下車體連接等區(qū)域均存在個別焊點(diǎn)累積損傷大于設(shè)計目標(biāo)。以圖6和圖7為例，其焊點(diǎn)最大損傷值分別達(dá)到26.723和3.779。

提高鈑金件疲勞壽命的傳統(tǒng)方法，例如結(jié)構(gòu)變動和提高材料等級等對提升焊點(diǎn)疲勞壽命影響不明顯。增加板厚可以降低焊點(diǎn)及周邊鈑金的應(yīng)力，有效提升焊點(diǎn)疲勞壽命，但僅因局部焊點(diǎn)疲勞問題而增加板厚很不經(jīng)濟(jì)。工程中常以修改焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)布局、增加焊點(diǎn)的方式達(dá)到減小焊點(diǎn)受力的效果。這也是更為有效的提升焊點(diǎn)疲勞壽命的方法。本文中根據(jù)基礎(chǔ)分析結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，針對疲勞損傷不滿足目標(biāo)要求的焊點(diǎn)進(jìn)行焊點(diǎn)增加和調(diào)整焊點(diǎn)位置，并重新計算更新結(jié)構(gòu)的單位載荷工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。再次以迭代載荷時間歷程進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞損傷分析直到所修改的焊點(diǎn)損傷值滿足預(yù)定目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文中結(jié)合車輛產(chǎn)品開發(fā)工程需求，在項(xiàng)目開發(fā)初期面向整車道路試驗(yàn)要求，用參考車采集了車輛試驗(yàn)場耐久路面道路載荷譜。結(jié)合整車多體動力學(xué)模型通過虛擬迭代的方法獲得車身與底盤件19個連接點(diǎn)的三向力和力矩的載荷時間歷程。

建立車身和焊點(diǎn)有限元模型，分別以三向單位力和力矩載荷進(jìn)行114個工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。基于力的方法在單位載荷分析基礎(chǔ)上以道路載荷時間歷程為激勵計算了車身焊點(diǎn)疲勞損傷，并發(fā)現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)中多處潛在的危險焊點(diǎn)。以焊點(diǎn)位置調(diào)整和增加焊點(diǎn)的方法減小了焊點(diǎn)受力，提升了焊點(diǎn)疲勞壽命。

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Fatigue Life Prediction for the Spot Welds ofBody-in-white Based on Random Loadings

Long Haiqiang1,2, Hu Yumei1,2, Liu Bo3, Jin Xiaoqing1,2& Zhu Hao1,2

1.ChongqingUniversity,TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmissions,Chongqing400044;2.CollegeofAutomobileEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044; 3.ChanganAutomotiveEngineeringInstitute,Chongqing401120

In view of the common phenomenon of fatigue failure of spot welds occurred in the proving ground test during vehicle development process, firstly the road load spectra in vehicle durability test are collected according to road test requirements and the time histories of force and moment loadings in three directions of 19 connection points on the body and chassis of a vehicle are obtained by using virtual iteration. Then a finite element models for body-in-white with welding spots is built, and the stress distributions in the spot welds of connecting points and their surrounding panels are calculated by applying inertia relief method in Nastran. Finally with the loading spectra obtained by virtual iteration as excitations, the fatigue analysis and accumulated damage superimposition are performed, the potential risks of spot welds designed are predicted and the fatigue lives of spot welds are enhanced by locally adding spot welds and optimizing spot weld layout.

body-in-white; spot welds; fatigue life; load spectra; virtual iteration

*“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAG03B01)和重慶市杰出青年項(xiàng)目(cstc2014jcyjjq50002)資助。

原稿收到日期為2015年6月9日，修改稿收到日期為2015年8月1日。