基于路譜的汽車關鍵零部件疲勞分析研究綜述

摘 要：本文總結了基于路譜的汽車關鍵零部件疲勞分析研究進展。分析流程主要分為六個部分：實車試驗方法、試驗數據處理、有限元建模、柔性多體建模、載荷譜提取和部件疲勞分析。歸納總結提取載荷譜的方法：Adams與Femfat Lab聯合仿真的虛擬迭代法、低成本的約束加載法以及載荷譜編制法。并對名義應力法、應力應變法、臨界面法等多種疲勞分析方法進行梳理與歸納總結。最后提出當下這一板塊的研究難點，對進一步的研究方向進行討論與評述，為汽車零部件疲勞分析板塊的技術人員提供一定的指導與幫助。

關鍵詞：路譜 汽車零部件 實車試驗 有限元建模 虛擬迭代

汽車關鍵零部件的疲勞壽命對車企和消費者至關重要。為滿足環保節能和應對油價上漲，汽車廠商追求輕量化設計，但輕質結構在相同載荷下應力增大，長期使用更易發生疲勞損傷[1]。

本文總結了結合虛擬仿真與實車道路試驗的零部件疲勞壽命分析方法。傳統方法周期長、成本高，因此虛擬仿真技術備受青睞[2]。該方法的分析流程包括以下五個主要步驟。

1 試驗場載荷采集

對樣車進行實車道路載荷數據采集實驗，校核動力學模型和進行疲勞分析。試驗采集的數據存在誤差，需進一步處理。設定采集目標和監測信號，選擇強化壞路作為測試環境，記錄樣車不同車速下的里程數據，以模擬實車行駛并分析零件損傷。

試驗數據需經過工況分割、檢查、去毛刺、修正漂移、濾波和重采樣等處理，以消除路面沖擊振動、溫度變化及電波干擾等影響[9]。試驗信號常出現毛刺、漂移、雜波等問題，導致采集誤差大，影響后期仿真和疲勞分析精度[4]，信號預處理旨在減少這些誤差，提高精度[6]。對處理后的數據進行重采樣，目的是縮減數據，提高計算效率。其中劉俊[7]等在Femfat Lab軟件中進行數據的重采樣和濾波處理，在nCode/Glyphworks軟件中對信號的零漂、尖峰進行修正。

2 有限元模型建立與分析

采用有限元法能分析零部件隨機振動響應變形和應力變化，能有效幫助研究疲勞損傷和壽命預測[10]。

汽車零部件有限元建模時，根據幾何形狀復雜程度選擇不同單元進行建模，以提高有限元分析效率：復雜部件用二維或三維單元，簡單部件或連接用一維單元。如車架用二維單元[7]，駕駛室用翻轉助力模型[11]，鈑金部件用B-T殼單元，連接用1D、Beam或ACM單元。此外，車架的橫、縱梁也常采用二維單元模擬[8]。（圖1，圖2）

對線彈性小變形的車身零件，采用準靜態分析，先施加單位激勵計算響應，再按載荷譜線性疊加[2]。若不使用固定約束，可采用慣性釋放法限定車身剛體位移[2，8]。靜力分析方面，常使用Hypermesh軟件劃分網格和進行有限元計算。對于一些車輛零部件的疲勞和動力學分析，常使用Abaqus軟件進行網格劃分和有限元計算，比如不同工況下復合材料板簧[13]、汽車控制臂橡膠襯套[14]等部件的分析。（圖3，圖4）

3 剛柔耦合多體動力學建模

建立整車剛柔耦合多體動力學模型，可以幫助獲取精度較高的車輛懸架載荷譜。結合多體動力學模型進行部件疲勞分析，能預測部件疲勞發生的危險部位。

當討論的零部件尺寸較小，可通過部件自由模態[15]試驗驗證模態分析的準確性，如：對汽車轉向節進行了實體測試，采用彈性軟繩懸空吊起，運用單點激勵多點響應方法測得固有頻率、振動形態和阻尼比，并與仿真結果對比，若前10階模態仿真誤差小于10%，則認為有限元模態分析滿足誤差要求[15]。

將有限元模型的MNF中性文件導入Adams/Car，得到部件柔性體模型，構建包括懸架、穩定桿、轉向、車身、動力、傳感器和輪胎[3]等子系統的多體動力學模型[4]。

載荷譜試驗前需重測樣車底盤參數及質心坐標。模型校驗可通過對比懸架Kamp;C仿真與測試數據[3]，或將六分力信號輸入整車剛柔耦合模型中模擬分析，對比加速度頻譜與實地測量數據來驗證模型的準確性。

4 載荷譜提取

4.1 虛擬迭代法

虛擬迭代法可通過結合Adams和Femfat.Lab[16]，Adams輸出的整車參數信息文件[4]，導入Femfat.Lab中并以實測加速度信號為迭代目標，用白噪聲驅動模型獲取響應，計算逆傳遞函數[12]。將輪心受力轉化為位移并綜合其他分力作為輸入信號，處理后可獲得時域、頻域和相對損傷值，與實測路譜數據對比，得出整車零部件載荷狀況[3]。

4.2 約束加載法

約束加載法則是將車身固定于地面，使減震器上支點對簧下部分的約束依然存在，仿真結果仍具有一定的適用性。該法具有易操作、計算效率高的優點。在整車參數設定上，它與虛擬迭代法一致，但在輪心激勵上采用實測六分力信號[4]。

4.3 載荷譜編制法

載荷譜分級法：汽車底盤零件依據分級原則[17]通常將載荷譜塊按精度需求分為3級到8級[19]，進行載荷譜統計。當試驗里程較短時，可使用載荷譜外推技術獲得耐久里程的當量疲勞壽命，與載荷譜分級方法相比，結果相近誤差略大但可接受[18-19]。

5 零部件疲勞分析

S-N方法在車身疲勞分析中因技術成熟、材料完備、仿真高效而廣受歡迎，但其僅適用于高周疲勞。采用多軸疲勞預測中的臨界面法，可納入對低周疲勞的考慮，提高預測精度[2]。

高周疲勞使用應力疲勞分析，適用于小載荷小應力且構件無塑性變形的情況；低周疲勞使用應變疲勞分析，應用于大載荷大應力導致構件塑性變形的情況。車架的疲勞分析常采用應變疲勞法，需依賴材料的ε-Ｎ曲線，可在nCode軟件中實施[8]。

通過確定疲勞損傷危險點，利用最小標準差原理獲取應變載荷譜，以偽損傷保留法驗證其有效性。將8級譜強化路面載荷細分為10級譜以體現低載強化效果，提升材料疲勞壽命預測精度[20]。

6 總結

疲勞壽命分析流程涵蓋五大步驟：載荷譜采集、有限元模型構建、剛柔耦合多體動力學模型建立、載荷譜提取及部件疲勞分析。實車道路載荷數據采集至關重要，但需預處理減小誤差，包括工況分割、數據校驗及去噪等。有限元法用于評估零部件振動響應與應力狀態，依據幾何特征和復雜度選擇適宜的單元模擬方式。準靜態分析適用于彈性小變形部件。整車模型構建能精確獲取懸架載荷譜，模態測試確保部件模態分析準確性。Adams/Car軟件與有限元模型結合，形成整車多體動力學模型，通過Femfat.Lab虛擬迭代提取載荷譜。載荷提取也可采用約束加載法或載荷譜編制法。S-N方法雖廣泛應用，但仍有局限；臨界面法在多軸疲勞預測中更精確模擬動態應力變化。應變疲勞分析適用于高載荷應力情況，需ε-N曲線支持。本文綜述相關研究，旨在為汽車工業提供基于路譜的汽車關鍵零部件疲勞壽命分析方法指導。

基金項目：成都大學2024年國家級大學生創業訓練項目+基于真實路譜的汽車減振器疲勞分析與設計改進（項目編號：202411079002X）。

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