基于虛擬迭代技術(shù)的某純電輕卡駕駛室疲勞壽命分析

劉紅梅，王中昊，張廷波

基于虛擬迭代技術(shù)的某純電輕卡駕駛室疲勞壽命分析

劉紅梅，王中昊，張廷波

（浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 311228）

針對車輛耐久試驗中鈑金及焊點開裂問題，通過采集道路試驗隨機載荷譜，基于虛擬迭代方法提取了某純電輕卡車型駕駛室疲勞載荷。基于迭代載荷完成了駕駛室鈑金及焊點疲勞壽命分析，有限元分析結(jié)果與實車路試一致，說明了該方法的有效性，并形成一套可操作的技術(shù)文件，為后續(xù)車型開發(fā)提供技術(shù)積累。針對存在的風險進行鈑金及焊點優(yōu)化，有效提升產(chǎn)品耐久性能。

駕駛室；虛擬迭代；疲勞分析；載荷譜；純電輕卡

駕駛室作為純電輕卡車型的一個關(guān)鍵系統(tǒng)，是駕駛員和乘員工作的地方，關(guān)系到駕駛員的安全、工作效率和健康[1]。因此，如何設計出結(jié)構(gòu)可靠的駕駛室，成為了整車開發(fā)過程中重要的一環(huán)。

近些年來，計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析技術(shù)已經(jīng)全面應用于車輛開發(fā)過程中，與整車道路試驗相結(jié)合以實測道路譜載荷仿真技術(shù)正成為汽車結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測的重要途經(jīng)[2]，如何在樣車初期準確預測駕駛室的結(jié)構(gòu)耐久性能，成為了CAE工程師的重中之重。目前有多種分析方法對駕駛室結(jié)構(gòu)進行驗證，精度較高的方法為虛擬迭代+有限元分析。本文基于虛擬迭代獲取的載荷，對駕駛室耐久性能進行了分析，得出駕駛室結(jié)構(gòu)的壽命分布，這對駕駛室前期設計及開發(fā)具有較好的指導意義，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力[3]。

1 多體動力學模型搭建

1.1 駕駛室轉(zhuǎn)動慣量測試

虛擬迭代方法是將道路試驗和仿真結(jié)合起來的有效方法，其準確性依賴于模型的準確性。為了能準確模擬實車狀態(tài)，需要對駕駛室及其懸置零部件性能進行測試，如圖1所示，測試結(jié)果如表1所示。

圖1 駕駛室轉(zhuǎn)動慣量測試

表1 駕駛室轉(zhuǎn)動慣量測試結(jié)果

質(zhì)量/kg轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2) IxxIyyIzzIxyIyzIxz 437355289418-122133

1.2 翻轉(zhuǎn)助力模型搭建

為了維修方便，一般駕駛室都有翻轉(zhuǎn)功能，純電輕卡駕駛室的翻轉(zhuǎn)通過助力的方式實現(xiàn)，即在前懸置處設置一根助力扭桿，在扭桿安裝時，使扭桿扭轉(zhuǎn)一定角度，保證在翻轉(zhuǎn)駕駛室時，提供一定助力，使得操作人員翻轉(zhuǎn)手力變小。實車中，扭桿一端通過花鍵與外套筒連接，進而連接在車身上。另一端連接在車架上，如圖2所示。

圖2 扭桿示意圖

因此，將扭桿簡化為Nonlinear Beam，一端通過traslational運動副與車身連接，另一端施加初始扭轉(zhuǎn)角度，如圖3和圖4所示。

圖3 扭桿預加載單元

圖4 扭桿預加載單元設置

1.3 剛?cè)狁詈夏Ｐ痛罱?/h3>

Adams/Car中，物體分為剛性體和柔性體。駕駛室懸置系統(tǒng)虛擬迭代模型包括剛性駕駛室、一段柔性車架、橡膠懸置簡化為bushing單元、扭桿簡化為Nonlinear beam單元，建立虛擬迭代模型。

2 虛擬迭代

2.1 載荷譜采集

駕駛室試驗場載荷譜采集的主要目的是獲取駕駛室懸置上下的加速度信息，為虛擬迭代提供目標信號。本次采集在襄陽試驗場進行，試驗路面包括：石塊路、長波路、直搓板路、斜搓板路和扭曲路，試驗信息如表2所示。

表2 試驗工況信息

序號EVENT路面車速/(km/h) 1EVENT1石塊路40 2EVENT2長波路60 3EVENT3直搓板路60 4EVENT4斜搓板路60 5EVENT5扭曲路10

2.2 虛擬迭代

虛擬迭代設置7個激勵通道，分別為4個向，2個向和1個向。其中四個向分別設置在前板簧前卷耳左右側(cè)，前板簧吊耳與車架連接點左右側(cè)，2個向分別設置在前板簧前卷耳左側(cè)和前板簧吊耳與車架連接點左側(cè)；1個向設置在第三橫梁中間，如圖5所示。

圖5 虛擬迭代模型

2.3 載荷譜采集

經(jīng)過迭代所有路面的相對損傷值比如表3所示，所有關(guān)注通道的相對損傷值比均位于0.5～2之間，滿足迭代要求。

表3 相對損傷值比

扭曲路比利時路直搓板路斜搓板路長波路 車架側(cè)左前0.640.830.770.911.49 車架側(cè)右前0.810.860.870.911.48 車架側(cè)左右1.60.951.020.871.37 車架側(cè)右后1.090.990.781.61.58 駕駛室側(cè)左前0.731.611.11.220.99 駕駛室側(cè)右前0.671.181.310.810.9 駕駛室側(cè)左后0.890.630.711.471.02 駕駛室側(cè)右后0.820.581.170.960.84

圖6展示了石塊路的仿真曲線與試驗曲線對比結(jié)果。從曲線看到，仿真加速度與測試加速度結(jié)果時域接近，且相關(guān)性較好。

3 疲勞分析

基于虛擬迭代得到的載荷，對駕駛室白車身進行疲勞分析。

3.1 車身有限元模型建立

對車身三維模型進行網(wǎng)格化分，主要網(wǎng)格尺寸為8 mm，局部細化為3 mm。焊點單元采用rbe3+ hexa+rbe3形式模擬，考慮焊點疲勞的穩(wěn)健性，焊點直徑為3.3 mm，焊點單元不允許與rbe2單元共節(jié)點，關(guān)注區(qū)域的焊點不允許連接圓角等特征，最終建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 駕駛室有限元模型

3.2 車身模態(tài)分析

模態(tài)分析是彈性結(jié)構(gòu)的固有屬性，通過模態(tài)分析可以識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學特性，對結(jié)構(gòu)危險部分進行預判。本車身骨架主要材料采用DC系列優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，總質(zhì)量為136 kg，其一階扭轉(zhuǎn)頻率為26.6 Hz，一階彎曲36.2 Hz，分別大于競品目標值25 Hz、34 Hz，滿足目標要求，如圖8所示。

3.3 疲勞壽命分析

利用虛擬迭代得到的載荷，對某純電輕卡駕駛室進行疲勞分析，其中焊點疲勞分析基于力法[4]開展，有限元輸出焊點單元力。將分析結(jié)果與實車開裂問題進行對比，駕駛室開裂如圖9所示，仿真對比如圖10所示。從對比看到，仿真預測的與實車路試開裂問題一致，說明虛擬迭代+有限元分析方法，能有效預測駕駛室開裂問題，是駕駛室開發(fā)過程中規(guī)避耐久風險的有效方法。

圖9 駕駛室開裂圖片

圖10 仿真對比圖片

4 結(jié)論

本文基于虛擬迭代方法，提取了駕駛室的疲勞載荷，并預測了駕駛室本體及焊點的開裂，預測結(jié)果與實車一致，基于虛擬迭代技術(shù)的白車身鈑金及焊點疲勞分析方法是駕駛室開發(fā)過程中有效方法，通過風險位置增加鈑金厚度及優(yōu)化焊點布局等方法規(guī)避前期設計風險，加快了設計步伐[5]，提高產(chǎn)品的耐久性能。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2] 龍海強,胡玉梅,劉波,等.基于隨機載荷的白車身焊點疲勞壽命預測[J].汽車工程,2016,38(8):1006-1010.

[3] 張少輝.基于虛擬迭代的某商用車駕駛室疲勞壽命分析研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2017.

[4] NAKAHARA Y,TAKAHASHI M,KAWAMOTO A,et al.Method of Fatigue Life Estimation for Spot-welded Structures[J].SAE Technical Paper:2000-01-0779.

[5] 趙世宜.基于FEMFAT的白車身疲勞分析[J].汽車實用技術(shù),2014,39(4):84-86.

Fatigue Analysis of a Pure Electric Light Truck Cab Based on Virtual Iteration Technology

LIU Hongmei, WANG Zhonghao, ZHANG Tingbo

( Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicles Group Company Limited, Hangzhou 311228, China )

In order to solve the sheet metal and solder joint cracking problem during the vehicle endurance test, this paper collects the road test of random load spectrum, based on the virtual iterative method, the fatigue load of the cab of a light truck is extracted, and the fatigue life of the cab is analyzed using the iterative load. The finite element analysis results are consistent with the results of the road test, which provide an effective forecasting method of the virtual iterative method, and form a set of operable technical documents for the development of subsequent models to provide technical accumulation. In view of the existing structure risks and solder joint optimization, this technique can improve product durability performance effectively.

Cab;Virtual iteration;Fatigue analysis;Load spectrum; Pure electric light truck

U462

A

1671-7988(2023)17-85-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.015

劉紅梅（1981－），女，碩士，工程師，研究方向為整車性能結(jié)構(gòu)耐久仿真分析，E-mail:liuhm_2012@163.com。