基于Ncode 某電動SUV 車型車身疲勞仿真研究

楊飛，王子寧，吳澤勛，王德遠，王飛宇

（重慶睿藍汽車研究院有限公司，重慶 401122）

引言

汽車的耐久性能是現代車輛設計的一項重要指標[1]，會影響用戶的購車意向及行車安全，據統計，汽車80 %以上的零部件失效都屬于疲勞破壞。

傳統的汽車疲勞耐久性主要是通過試車場試驗、道路試驗以及臺架試驗等方法來進行預測[2]。但傳統的耐久試驗具有周期長、成本高的特點，試驗周期高達6 個月以上；試驗場的路面試驗至少也需要3 個月以上。而有限元仿真技術在縮短開發周期，減少試驗成本，提高市場競爭力方面發揮著巨大作用。

乘用車的車身作為汽車的重要承載結構件，在車輛的行進過程中容易受到路面不平的影響，從而產生交變應力，引起疲勞損傷，如果一輛車的車身耐久性達不到實際使用要求，損傷在服役期間累計到一定程度就會導致部件疲勞失效。本文輸入VPG 路譜載荷，模擬比利時路、溝區路、森林路、扭曲路等33 種常見特征路面工況，對某電動SUV 車型車身疲勞進行仿真研究，主要涉及焊點、焊縫、鈑金疲勞分析及優化過程,為前期的設計開發規避疲勞破壞風險。

1 疲勞累計損傷理論

Miner 法則是對疲勞耐久性能評價機械結構較早提出的一種方法。這一法則假定：當結構吸收的能量到達疲勞極限時，破壞就會發生。依此假設，結構在各種應力水平下的最大可循環次數在破壞前的不同載荷歷程中依次是N1，N2，N3…Ni，而實際在各種應力水平下的循環次數依次為n1，n2，n3…ni，則疲勞損傷表達式為[3]：

當D 為1 時，結構就會發生疲勞破壞。式（1）即為Miner 法則的線性疲勞累計損傷理論方程。

2 建立仿真模型

圖1 為車身疲勞仿真分析流程。首先利用前處理軟件（本次以ANSA 為例）對設計輸入的CAD 模型進行處理，建立CAE 有限元仿真模型，再進行加載設置，利用MSC.Nastran（SOL 101）對模型進行求解，計算得到強度分析應力結果；然后將強度結果導入nCode 疲勞分析軟件，對相關零部件的材料和疲勞參數進行設置，基于VPG 路譜載荷進行求解計算，得到疲勞損傷云圖。最后利用后處理軟件（本次以META 為例）進行疲勞損傷結果查看，依據目標值決定是否優化。

圖1 車身疲勞仿真分析流程

2.1 強度模型搭建

分析用有限元模型應是滿載的車身狀態，包含TB、乘員和行李質量。如圖2 所示。

圖2 車身滿載模型

2.1.1 配重（乘員及行李箱）

乘員重量分配依據某企業試驗規范，采用RBE3+mass 的方式模擬。其中座椅58 kg，地板8 kg，左右腳踩位置各4 kg。

乘員58 kg：分配在座椅R 點；乘員腳步4 kg 和行李40 kg：分配在RBE3 自動耦合中心點，mass 單元模擬重量。RBE3 抓取位置及范圍大小如圖3 所示，腳踩位置為乘員標準坐姿狀態。

圖3 rbe3 抓取區域

注意：RBE3 抓取盡量錯開焊點位置，左右側連接范圍對稱最佳（根據實際結構）。同一款車型需要保持相同連接位置，以減少模型處理不同帶來的結果差異。

行李重量用mass 單元模擬，通過RBE3 單元連接在后地板合適區域；

備胎（如果配備），備胎用RBE2 連接彈簧；

行李箱配置氣瓶/隨車工具等，根據實際情況定義質心和質量；前艙配置行李箱，也需要根據設計質量配載；

行李RBE3 抓取位置依據行李箱實際情況，抓取行李箱蓋板與地板或備胎槽接觸的外邊緣。

表1 給出了乘員及行李箱配重表，由表可以看出，此SUV 車型是2 排5 座布局，前排配重66 kg+66 kg，后排配重66 kg+66 kg+66 kg（其中每個座椅：乘員58 kg+地板8 kg），行李箱是40 kg 重量。

表1 乘員及行李箱配重表

2.1.2 焊點模擬

依據某企業相關標準，采用統一焊點大小和基礎網格尺寸，檢查焊點RBE3 連接單元質量，如前后減震器座，流水槽和C 環等區域，RBE3 不能與其他連接單元共節點。ACM 焊點如圖4 所示。

圖4 焊點模型

2.1.3 焊縫建模及參數

車身焊縫用殼單元模擬，焊縫及熱影響區單元均要求用四邊形網格劃分，且單元長度要求（4~5）mm 左右，不允許有三角形單元出現；

焊縫單元法向一致向外（焊接工作側），角焊（垂直焊）焊接單元厚度為如圖5。搭接焊單元厚度為tw=2tmin，如圖6。 其中tw＞3 mm，tmin為兩板中較薄板的厚度，圖中t1和t2分別是兩個焊接板的厚度。

圖5 角焊（Fillet Weld)

圖6 搭接焊（Overlap Weld）

2.1.4 工況定義及原理

應用慣性釋放法，在前后副車架及前后減震器硬點位置分別加載XYZ 三個方向的單位力載荷，見圖7 所示。

圖7 車身單位力載荷示意圖

慣性釋放的原理是先計算不平衡外力作用下結構的運動（即加速度），通過靜、動力平衡的方法來構造一個自平衡體系。用有限元方法建立靜動力平衡方程：

式中:

{F}—所有節點分量組成的節點外載荷向量；

{δ}—所有節點加速度分量組成的節點加速度向量。

式中：

在實踐過程中會發現，按照教材中給出的試劑進行實驗，由于各種因素的影響，有時不能取得很好的實驗效果。例如，在“制作并觀察植物細胞有絲分裂的臨時裝片”的實驗中，鹽酸能使植物細胞之間的果膠質層松散，使根尖細胞彼此容易分開，教材中使用體積分數為10%的鹽酸溶液解離10 min，耗時較長。適當增加鹽酸溶液的濃度可以縮短解離的時間，如改用體積分數為20%的鹽酸溶液，解離僅需5 min左右即可完成，細胞的分散程度也可以達到理想的效果。

N—形狀矩陣；

ρ—密度；

Ω—體積分。

3 疲勞分析及計算結果

基于強度分析的應力結果，鈑金件的E-N曲線，焊點材料的S-N 曲線，焊縫材料的S-N曲線，各接口點的載荷譜（如圖8）輸入到疲勞分析軟件nCode 中，搭建分析五框圖（如圖9），并定義材料、設置疲勞參數，計算得到疲勞損傷值的云圖。

圖8 VPG 載荷譜

圖9 疲勞分析框圖

圖10 評價標準

3.1 評價標準

鈑金: 依據某企業要求，除washer 附近單元外，所有鈑金損傷≤1.0，對超出部分需要進行優化；同時需要重點關注關鍵位置，例如減震器安裝點周圍的鈑金結構；

焊點：依據某企業要求，所有焊點損傷應≤1.0，對于部分存在結構膠的區域，損傷可≤2.0。對于關鍵位置，如減震器周圍，對損傷＜1.0 的也需要進一步分析是否需要優化以降低焊點開裂的風險；

3.2 計算結果

由圖11 可以看出，后圍板搭接處鈑金損傷值過大（大于1）,不滿足某企業目標要求，存在開裂風險；側圍后端與后地板連接板搭接焊點損傷大于某企業目標值，不滿足要求，需要對以上結構進行優化，以降低該處疲勞破壞風險。

圖11 損傷云圖

4 結構優化

汽車的研發過程，就是一個不斷進行設計優化的完善過程，來使得車輛滿足一定的性能要求，對零部件的優化的常用手段有材料的優化和結構優化，在設計初期，一般通過對零件的結構進行優化來規避一定的設計缺陷和風險。以下就是對鈑金和焊點的結構進行優化來避免疲勞破壞的風險。

鈑金：通過應變能分析，發現后圍板搭接處由于結構的突變導致局部應變能過大，此位置處的應力集中也比較明顯，故此處特征抹平，減少扭轉工況下的應力集中。如圖12 所示。

圖12 鈑金優化

焊點：如圖13 白色邊框，延長輪罩外板后端，增加搭接面，同時兩層焊改為三層焊，增加一個焊點，以增加傳力路徑，改變受力方式，分散焊點應力集中。

圖13 焊點優化

經過以上優化，鈑金損傷值由3.64 下降為0.076，損傷值降低48 倍，遠小于某企業目標值1.0；焊點損傷值由0.7 下降為0.88，損傷值降低1.6 倍，小于目標值1.0，滿足耐久性能要求。

5 總結

本文基于nCode 疲勞分析軟件，對某SUV 車身疲勞進行分析研究，詳細描述了從建立有限元仿真模型到疲勞分析的整個過程。

1）該分析采用多體動力學提取的VPG 載荷譜，經相關工程驗證與實車試驗實測路譜一致性較好；

2）為了解決某SUV 車身鈑金和焊點疲勞損傷值過大問題，本文提出了一種改進的優化方案，使得鈑金損傷降低48 倍，焊點損傷降低1.6 倍，滿足某企業目標要求，有效解決了設計前期的疲勞問題，規避了疲勞開裂的風險；

3）結構優化是常用的優化手段，可為車身設計初期提供借鑒。