車身焊接薄板件疲勞分析

楊一昕 程竹青

摘 要：車身焊接金屬薄板件失效形式通常為疲勞斷裂，本文選擇白車身中受應力相對集中的后隔板位置進行疲勞耐久影響因素研究，從零件的材料選擇、厚度、零件的形狀以及焊點分布等方面進行CAE疲勞仿真分析。根據仿真分析結果進行實車改進，并通過改進后的道路試驗，將仿真分析結果和道路試驗結果進行比較，證明疲勞仿真結論和實車改進的有效性。試驗證明該方法可以幫助評估車身焊接件疲勞問題解決方案，縮短問題解決與驗證時間。

關鍵詞：車身薄板件;疲勞耐久;仿真分析;道路試驗

0 前言

汽車車身強度和可靠性主要通過實車道路試驗或臺架試驗進行驗證，但是，基于實際樣車或部件的試驗對潛在問題的反饋存在滯后性，難以明確影響因素。疲勞仿真分析可以幫助驗證各種優化方案，減少或替代部分實車試驗，提高車身焊接設計驗證的準確度。

車身疲勞分析主要依據帕爾姆格倫-Miner疲勞累積理論進行[1]，多數研究集中在疲勞壽命的仿真預測和仿真體系的建立，上海大眾建立了整車耐久性虛擬試驗臺架，代替實車的道路試驗和試驗室臺架試驗[2];上汽、一汽等利用CAE仿真技術進行了車身疲勞耐久預測[3]。對于將道路試驗和仿真相結合，提出和制定優化方案并進行定量分析，相關研究與案例較少，特別是車身應力相對集中的后隔板，是新車開發中經常遇到的問題，本文從解決后隔板疲勞失效發生的對策制定和驗證角度，從材料、厚度、形狀、焊點分布等不同方面進行優化和疲勞仿真，從而獲得最優改進方案。

1 車身薄板件疲勞分析理論

汽車行駛時，受路面連續激勵，引起車身金屬件隨機振動，在某點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂。零件疲勞隨高應力或高應變部位產生損傷并逐漸累積，導致性能退化，裂紋萌生、擴展直到完全斷裂失效。疲勞破壞通常經過裂紋形成、裂紋擴展、疲勞斷裂三個過程[4]。圖1表示了零件疲勞總壽命定義的全過程。

1.1 疲勞損傷機理

本文采用Miner疲勞累積理論[5]，其假定材料在各個應力水平下的疲勞損傷是獨立進行的，總損傷是先行疊加的結果。假定每一個循環所造成的平均損傷為1/N，根據損傷積累法則，n次恒幅載荷所造成的損傷等于其循環比[6]。當零件受到變幅載荷時，累積損傷量D等于各自循環比之和：

式中：為零件在次循環所受的損傷;為S-N曲線上對應等效應力幅值的破壞循環次數。當D=1時，零件發生疲勞失效，累計損傷結束。

1.2 零件疲勞分析方法

汽車在道路上行駛時受到路面不平度的連續激勵，引起車身零件的隨機振動，并最終導致疲勞失效。車身零件的疲勞壽命不僅與行駛的路面形狀有關，而且與行駛速度有關，其壽命預測基于速度和路面的激勵[7]。道路激勵輸入譜為：

其中為道路空間譜。

在任意路譜激勵下的車身零件的動應力、動應力速度和動應力加速度的均方值分別為：

在隨機載荷激勵下，車身零件的動態應力響應是隨機過程，相應的應力幅值S是隨機變量，零件平均疲勞壽命的估計式為：

2 后隔板疲勞耐久仿真分析

車身后隔板是車身扭轉應力最為集中的地方之一，作者經歷的某A級轎車在實際的道路試驗中發生了疲勞開裂，接下來針對開裂部位進行針對性的疲勞仿真分析和優化及驗證。

車身零件疲勞壽命預測首先需建立白車身有限元模型，施加邊界條件，計算的固有頻率和振型，擴展模態并計算應力[8]。然后，輸入譜密度，頻率、阻尼參數，確定激勵作用點及方向，定義激勵縮放系數[9]，求解絕對應力和應力速度等動態響應歷程。最后，模態合并，計算應力和應力速度等隨機變量，由疲勞累積損傷理論計算車身危險部位的疲勞壽命[10]。

2.1 流程設定及模型搭建

本文選擇HyperMesh軟件進行完成前處理建立有限元模型;利用Nastran軟件計算準靜態下的單位載荷下的相應強度;利用六分力儀、位移傳感器、加速度傳感器等設備采集PAVE實驗道路載荷路譜，并分解采集的載荷路譜;利用FEMFAT軟件進行疲勞計算;最后用HyperWorks進行后處理，讀取仿真結果[11]。PAVE實驗的疲勞耐久仿真流程如圖2，白車身有限元模型如圖3。根據線性累積損傷理論的修正Miner法則和零件疲勞分析方法進行模擬仿真疲勞計算。

根據道路實驗要求及仿真需要以及車身后隔板材料、料厚、形狀、焊點分布等影響因素，建立車身后隔板有限元模型。車身后隔板模型網格劃分如圖4所示。

2.2 車身后隔板有限元仿真分析

根據提高車身金屬薄板件疲勞可靠性的經驗及常規方法，分別制定增加材料厚度、更改結構形式、變更材料、改善焊點分布等方案。仿真涉及材料牌號及其對應的強度級別如表2所示。

車身后隔板開裂即疲勞開裂發生部位如圖5所示車身扭轉劇烈位置的A、B兩個部位。根據提升疲勞耐久可能的措施，共計5個方案，具體設計方案如表3所示。

方案1為車身后隔板選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處形面不做更改，進行焊點布局優化，仿真結果如圖6所示。

方案2為后隔板選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處做圓角優化，不進行焊點分布優化，仿真結果如圖7所示。

方案3為選擇DC01材料，料厚為0.7mm，A、B處增加臺階邊，進行焊點分布優化，優化方案如圖8所示，仿真結果如圖9所示。

方案4是指后隔板選擇HC260Y材料，料厚為0.7mm，A、B處形面不做更改，不進行焊點優化，仿真結果如圖10所示。

方案5是指后隔板選擇HC260Y材料，料厚為0.8mm，A、B處形面不做更改，進行焊點優化，仿真結果如圖11所示。

2.3 仿真結果對比分析

根據5個設計方案的疲勞仿真結果發現，如圖12所示的1～5處的應力集中，損傷值較大。

本文對5種方案在1～5這5處的損傷值進行統計，對比分析，具體如下表4所示。

根據表4中的應力集中損傷值，發現在位置1和5處的損傷是最大的。根據線性疲勞損傷理論，損傷值等于1，是一個臨界失效的狀態，損傷值在1以下時，滿足設計要求。

以1處為例，方案2與方案1對比優化了圓角，未進行焊點優化，發現位置1處的損傷值降低0.60;方案3與方案1對比增加了臺階面，位置1處的損傷值降低0.46;方案4與方案1相比材料由DC01改為HC260Y，未進行焊點優化，位置1處的損傷值降低2.23;方案5與方案1相比材料由DC01改為HC260Y且料厚由0.7mm增加到0.8mm，位置1處的損傷值降低2.70。根據疲勞損傷的仿真結果可知，焊點分布優化對降低疲勞損傷改善不明顯;優化圓角、增加圓角臺階面都可以降低疲勞損傷值;更換材料，提高鋼板的性能，能明顯降低疲勞損傷值。根據仿真試驗的結果，考慮對開發成本和周期影響最小的方案4作為改善方案，并在此進行試車道路試驗。

3 試驗結果分析和試驗驗證分析

根據企標及道路試驗規范，規定比利時路面行駛有效試驗里程2200km，等效于用戶實際使用160000km。其中，組合路中、高強度比利時路面行駛有效里程1000km，在組合路低強度比利時路面行駛有效里程1200km。在組合路低強比利時路上，車速35km/h至40km/h;在綜合路中、高強度比利時路面行駛，車速50km/h。通過高強比利時路，車速50km/h。試驗行駛路線詳見圖13，按照①→③→②→④的順序。

選擇方案1和方案4實車改進后進行道路試驗。實車試驗結果如圖14、15所示，方案1后隔板位置1試驗結果鈑金發生疲勞開裂;方案4后隔板實驗結果未發生開裂。后隔板位置1處方案1仿真疲勞損傷值為3.23，超過臨界損傷值;方案4仿真疲勞損傷值為0.73，小于臨界失效損傷值。實車試驗結果驗證了仿真結果的正確性。

4 結論

本文主要對轎車后隔板開裂問題，采用仿真方法進行了疲勞可靠性的影響因素分析，通過實車道路試驗與CAE疲勞仿真分析結果對比，得到以下結論：

（1）對于車身后隔板，材料本身的力學性能對于疲勞耐久性能影響大于厚度、形狀、焊點分布等因素。

（2）疲勞仿真分析與道路試驗結果相吻合，該方法有助于通過量化分析給出疲勞可靠性與成本綜合最優的方案，縮短問題解決與驗證時間。

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