基于實測道路譜的車身疲勞耐久性能改進

張澤俊，劉宗成，顏伏伍，王雪峰，馮廣冬

（東風小康汽車有限公司汽車技術中心，重慶402247）

0 引言

面對日趨激烈的汽車市場，各大整車制造商不斷延長整車質保里程或年限來提高產品競爭力，這樣整車的疲勞耐久性能開發越來越受到重視。車身作為整車關鍵子系統之一，其耐久性能成為整車性能開發中的焦點之一［1］。車身是一切車身部件和底盤部件的安裝基礎，其結構和實際承受載荷的復雜多樣性，給解決車身疲勞失效問題帶來了極大的困難。一般是通過對樣車進行可靠性道路試驗和道路模擬試驗來確保車輛達到耐久性能［2］，但該手段存在開發周期長、資金投入大等問題。

某新開發SUV車型，在整車道路模擬試驗中，左右車身后門框處均出現鈑金和焊點失效問題。通過試驗場道路譜采集、建立多體動力學模型進行虛擬迭代并結合CAE疲勞分析技術，從仿真角度復現了車身疲勞失效問題，解決了車身開發過程中出現的疲勞失效問題，減少了開發成本及試驗的盲目性，縮短了研發周期。

1 車身失效情況簡介及技術研究路線

某SUV車型第一輪試制樣車在整車四通道可靠性道路模擬試驗完成63%時，發現左右后門框位置出現鈑金開裂、焊點失效問題，如圖1所示。檢查發現裂紋斷面存在磨損痕跡，說明車身左右側后門框在試驗小于63%時就出現了疲勞失效問題。意味著該SUV車身前期設計不能滿足疲勞耐久性能要求，存在一定的安全隱患，需要對車身門框開裂位置進行優化設計，以達到指定的疲勞耐久性能。

圖1 車身門框失效

通過實車在試驗場采集載荷譜，并對采集的數據有效性進行檢查，結合多體虛擬迭代技術和CAE分析技術再現物理試驗疲勞失效點，并依據分析結果對車身結構進行改進。其技術路線如圖2所示。

圖2 車身失效改進技術路線

2 路譜采集及虛擬迭代

2.1 采集工況簡介

采集車輛使用第一輪試制樣車，在4個車輪上安裝WFT六分力傳感器，如圖3（a）所示，采集車輪六分力信號；在車輪轉向節輪心處安裝加速度傳感器，如圖3（b）所示，采集輪心加速度信號；在前后車輪Topmount處安裝加速度傳感器，采集車身減震器塔頂處加速度信號；在前后減震器彈簧上布置應變計，測量前后彈簧應變信號；并安裝GPS和陀螺儀，分別記錄車輛行駛軌跡、車速和車身姿態。

圖3 車輪六分力傳感器和輪心加速度傳感器

將樣車配重至滿載質量狀態，依據路譜采集規范在某汽車試驗場測量耐久試驗路面 （搓板路、卵石路、車身扭曲路等），GPS記錄的車輛行駛軌跡如圖4所示。

圖4 采集車輛行駛軌跡

2.2 路譜采集結果及數據檢查

采集車輛布置傳感器共計75個通道，各通道信號數據通過數據采集器記錄和存儲，每個樣本采集3次。如圖5所示，采集到的左后輪輪心的力和力矩。

圖5 采集到的左后輪輪心力和力矩

在制動工況下，根據Fx和My的相互關系，可以判斷采集到的六分力數據的正確性。如圖6所示，左前輪在制動工況下Fx和My呈線性相關，且斜率在0.35左右，與輪胎的滾動半徑一致。

圖6 制動力矩My和制動力Fx關系

將采集到的4個車輪輪心Z向加速度做頻譜分析，如圖7所示，信號頻率段主要集中在50 Hz以下，與路面的激勵頻率一致，說明采集到的數據具備一定的有效性。

圖7 4個車輪輪心Z向加速度頻譜

2.3 多體虛擬迭代載荷分解

采用多體虛擬迭代的方法獲取車身各接附點的載荷，作為后續車身疲勞CAE分析的輸入。將試驗場采集到的載荷譜經過等效處理后，作為多體虛擬迭代的目標信號，搭建與采集樣車狀態一致的整車多體動力學模型，作為虛擬迭代的基礎模型，如圖8所示。

圖8 整車多體動力學模型

虛擬迭代原理如圖9所示，用白噪聲驅動多體模型得到初始傳遞函數并求出反傳遞函數F-1，再根據試驗采集的信號和反傳遞函數求得第一次迭代的驅動信號D1，該驅動信號再次驅動多體模型，可得到第一次的響應X1，對比X1與目標信號Xtarget，并修正公式 （1） 中的w，再迭代，直到滿足收斂條件（Xn與Xtarget相對損傷值介于0.5～2之間［3］） 終止迭代。

建立的多體動力學模型經過5次迭代后，迭代信號與目標信號的各通道相對損傷值范圍在0.5～2之間，滿足虛擬迭代精度要求。各次迭代收斂情況如圖10所示。

圖10 各次迭代收斂情況

通過最后一次迭代后，獲取車身各接附點的力和力矩。圖11所示為車身與后副車架連接左前接附點的力和力矩，獲取的各接附點的載荷譜作為車身疲勞耐久CAE分析的輸入。

圖11 車身與后副車架左前接附點力和力矩載荷譜

3 車身疲勞CAE分析及疲勞失效再現

3.1 車身疲勞CAE分析模型搭建

搭建車身TB有限元模型，五門一罩、油箱、備胎、天窗等采用集中質量模擬，車身附件采用非結構質量NSM配重至鈑金件上。車身焊點采用剛性梁Bar單元模擬［4］，直徑為6 mm，梁單元與車身鈑金件采用共節點方式連接。在車身18個接附點處加載六向單位載荷，共計108個通道，采用慣性釋放法計算得到疲勞計算所需要的白車身結構應力場和焊點單元力場。

3.2 車身疲勞損傷預測

車身焊點剛性梁單元傳遞的力和力矩用來計算結構應力［5］，基于計算的焊點結構應力對車身焊點進行疲勞損傷預測。焊點的材料采用 Spot_Nugget_Generic 和 Spot_Sheel_Generic［6］。采用FKM法修正平均應力。

將車身結構應力場導入疲勞分析軟件，基于名義應力SN的方法，對車身進行疲勞損傷評估，其中平均應力修正采用Goodman法。由于車身幾何形狀復雜且受到多軸疲勞載荷作用，故采用臨界平面法。臨界平面法計算原理為過某點取n個等夾角的平面，對每個平面上的正應力和剪應力進行等效組合，對每個平面的等效應力計算損傷，然后取n個平面中最大損傷值為該點的損傷。

根據車身中不同材料牌號建立不同材料的SN曲線。SN曲線可以通過試驗獲得，在缺少試驗SN曲線時，可以根據材料的特性參數進行擬合得到SN曲線。對于母材，可以通過輸入材料的抗拉極限UTS擬合得到材料應力壽命SN曲線［7］，其擬合曲線如圖 12所示。圖中參數 SRI1、b1和b2通過公式（2） — （5） 計算得到。

圖12 基于UTS擬合的SN曲線

式中：UTS為材料抗拉強度；S1為1 000次循環下的應力幅值；S2為Nc1循環次數下的應力幅值；SRI1為循環1次即失效時的應力幅；b1和b2分別為SN曲線第一階段和第二階段的斜率；Nc1為SN曲線第一個拐點的循環次數，對于普通鋼材材料Nc1一般取1×106。設置好疲勞分析參數后，在疲勞分析軟件中對車身焊點和鈑金進行疲勞損傷計算，計算得到損傷結果如圖13所示。可以看出：門框拐角處焊點的損傷均大于目標值1，最大損傷達到5.2（經驗表明車身焊點損傷值高于1即存在失效風險）；門框鈑金的最大損傷為0.246（經驗表明鈑金處損傷值高于0.2即存在開裂風險）。分析結果表明：門框焊點、鈑金失效位置與道路模擬試驗失效位置一致。

圖13 車身焊點和鈑金損傷計算結果

3.3 車身結構改進

依據上述分析結果，延長門檻梁加強板結構，并增加焊點，增加門框局部剛度，車身結構改進示意如圖14所示。

對改進后的車身結構重新計算疲勞損傷，如圖15所示。改進后的車身疲勞失效點的損傷遠低于目標值，疲勞耐久性能得到顯著提高。在后續的可靠性試驗中，未發現門框處的焊點和鈑金失效問題。

圖15 車身結構改進后損傷計算結果

4 結束語

以某白車身為研究對象，以實測試驗場載荷譜作為多體虛擬迭代的輸入，獲取車身各硬點載荷譜，并結合CAE疲勞損傷預測方法，復現了可靠耐久試驗中車身疲勞失效問題。針對車身失效位置提出了改進方案，改進后的車身失效位置的疲勞損傷值顯著降低，并在后續的可靠耐久試驗中未出現疲勞失效問題。實踐表明，通過該方法預測的疲勞風險點與物理樣車試驗風險點比較吻合。該方法可用于車身開發過程中實際疲勞失效問題的改進，也可用于產品開發階段車身的疲勞損傷預測，以此減少試驗驗證的盲目性，節約開發成本。