载货汽车驾驶室疲劳仿真方法研究

王忠校闫鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

载货汽车驾驶室疲劳仿真方法研究

王忠校闫鑫郭茂林徐中皓姜迪

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

由于载货汽车使用工况比较复杂，针对其驾驶室的静态分析方法已不能满足疲劳耐久性能要求，因此将基于真实路面谱的疲劳仿真方法引入驾驶室设计分析过程中。结合某载货汽车驾驶室局部疲劳开裂案例，对路谱采集、信号处理、橡胶衬套特性分析、多体仿真、虚拟载荷迭代和疲劳寿命分析等各关键技术点进行了介绍。通过疲劳仿真与结构优化改进，使该载货汽车驾驶室局部开裂问题得到解决。

1 载货汽车疲劳仿真方法介绍

载货汽车驾驶室由薄钣金件组成，又是系统总成的最终受力环节，其白车身和焊点很容易出现疲劳开裂问题，而设计前期的静态CAE分析手段已很难校核结构的疲劳强度，因此载货汽车驾驶室疲劳仿真方法研究对其性能开发具有十分重要的意义。

目前，载货汽车疲劳仿真方法主要有两种：全数字试验场方法，需要载货汽车整车多体动力学模型和一个数字化的虚拟试车场；混合路面方法，也叫等效路形法，需要驾驶室及悬置系统多体动力学模型和车架、驾驶室上的目标参考点实测信号，目的是反求系统等效激励。第一种方法由于需要一个“活动”的动力总成详细动态模型，因此建模更加困难，除合适的轮胎模型、底盘模型和驾驶员模型外，至少还需要一个数字化试车场模型。相比而言，第二种方法只需要测量车架及驾驶室上的加速度信号及悬置相对位移信号，并建立包含车架的驾驶室及悬置系统多体动力学模型，可以避开轮胎模型精度和路面轮廓采集试验复杂性的影响，同时结合样车道路试验的准确性和多体模型仿真的高效性，利用疲劳等效原理，可以反求出施加在车架上的位移激励来模拟驾驶室真实运动。

疲劳仿真方法对于载货汽车驾驶室主要有以下两种用途：

a.用于解决现有车型驾驶室在实车试验中的疲劳开裂问题。

可以用现有试验样车采集真实的路面谱，并通过其仿真流程计算出实际开裂位置的疲劳损伤值。通过结构改进可以显著降低其损伤量级，提高开裂位置的疲劳耐久寿命。

b.用于在产品前期设计阶段预测其疲劳寿命。

在设计阶段实现结构的寿命设计，利用上一代车的路面谱，在制造样车之前就对车身结构部件的疲劳寿命进行校核并修改设计方案，大大缩短了设计周期，避免了由不合理设计引起的浪费。

疲劳仿真方法是一项动态环境下的综合性方法，包括道路载荷数据采集（RLDA）、多体虚拟仿真（MBS）、载荷虚拟迭代技术（LVIT）及多轴有限元疲劳寿命预测技术（FEA-FLP）等。图1为基于疲劳仿真方法的载货汽车驾驶室开裂问题解决方案具体技术路线。

2 疲劳开裂案例问题描述

某载货汽车样车在进行强化路耐久测试约XX km左右时，两台样车的驾驶室均出现前围开裂、焊接边撕裂问题。开裂初始位置在前围圈梁开口上部拐角处，大变形产生的应力使焊接翻边处受反复挤压，前围横梁、前围内板及中地板翻边先撕裂，进而向上传递，最终使前围与风窗下内板搭接边撕裂；产生最大变形处位于圈梁拐角的下边缘，并且裂缝不是一条而是若干条，符合疲劳破坏特征。

在前期CAE分析中采用假设的极限工况，即后悬置固定约束，在前悬置处施加强制相对位移工况，用以模拟试验场耐久路的大扭曲工况，其前围处应力云图如图2所示，实车开裂位置的最大应力均在200 MPa左右，低于其材料的屈服极限（240 MPa），证明在极限静态工况下结构并未发生屈曲破坏。同时两台样车均是行驶了一定里程才发生破坏，更加证实此处结构是在强化路耐久试验中各种激励作用下发生的疲劳破坏，应运用疲劳问题解决方案对失效结构进行系统的疲劳仿真分析。

3 针对实际情况的疲劳仿真分析过程

3.1 路谱测量工作

路谱测量工作的主要目的是获得一些关键点的路谱信号，并依此作为虚拟载荷迭代的目标信号。本次路谱采集工作以发生开裂问题的载货汽车样车为目标车型，对其在某试车场的3号强化路进行测试，强化路的典型路段包括石块路、卵石路、搓板路和扭曲路等。

试验车载荷状态为满载，驾驶室质量为325 kg，包括驾驶室内乘员3人（驾驶员位置1人，副驾驶位置1人，后排座位1人）和操作仪器、沙袋。根据规定的车速进行试验，主要采集信号为悬置上（驾驶室）和悬置下（车架）的三向加速度信号和悬置相对位移信号，传感器布置与典型信号如图3所示。

3.2 橡胶悬置特性测试及动态刚度阻尼的获得

由于该款载货汽车的前、后悬置均采用固定橡胶悬置布置形式，因此其悬置系统的刚度阻尼特性获得至关重要，特别是动态刚度及动态阻尼，其不仅与频率有关，还与运动幅值相关，直接决定了系统模型的非线性程度。在后续载货汽车驾驶室悬置系统多体动力学建模中，悬置动态特性参数作为输入，可以充分反映驾驶室悬置系统在实际强化路行驶时的动态特性。

传统的橡胶悬置静刚度测试无法满足系统动态特性要求，目前橡胶衬套动态参数试验采用MTS振动台，只能输出衬套不同方向下的静态刚度和随频率变化的动刚度（不同幅值），其动刚度曲线值由该频率下力—位移曲线峰值（两个点）确定，并未考虑该频率下迟滞回线形状的影响，而迟滞回线形状代表其能量损耗即动态阻尼，如图4所示。

为了获得在不同幅值、不同频率下拟合出的动刚度曲线及阻尼曲线，需要设计一个新的试验方法，试验方案应覆盖一定范围振幅和频率，具体如表1所示。表中，NL S/D表示非线性动态加载。正弦加载试验中的频率值应至少循环10次，以保证迟滞回线的稳定性。

测试后的数据输入到一个自制的MATLAB分析处理程序中，以拟合出可用的非线性刚度和阻尼曲线，最终获得的橡胶悬置非线性曲线（以左、后悬置Z向为例）如图5所示。

表1 橡胶悬置试验表格

3.3 全内饰车身建模及惯性释放计算

车身疲劳寿命预测使用惯性释放方法提供外力以平衡没有约束的自由状态车身，外力等效于车身结构的惯性响应。为了模拟真实情况，车身模型结构应具有正确质量分布，因此提出了全内饰车身结构建模。

全内饰车身模型，除白车身结构之外，还包含刚性连接到车身上的车门、内外饰及附件等结构的质量和惯量信息。车辆总质量、局部质量分布及质心位置应该与试验车辆一致，以保证全内饰车身模型与试验车辆的动态效果一致，同时也要考虑试验时车内乘员和压舱物的质量。

将全内饰车身有限元模型的质量结果与K&C试验台结果进行对比，模型质量与试验值只相差1.5 kg，转动惯量结果误差也在合理范围内，说明全内饰车身建模的精度较高，其有限元模型可以作为疲劳仿真分析的输入。

依据此全内饰车身模型可以进行惯性释放计算，本项目使用MSC.Nastran求解器，仅考虑线性准静态有限元分析。每个车身接口点各方向载荷分别定义一个单位载荷工况，计算出单位载荷下结构的应力分布，疲劳分析中要输入车身外部时间历程载荷来缩放此单位应力分布结果。

3.4 多体动力学建模

多体动力学模型作为载荷预测技术中的重要环节，反映了载货汽车驾驶室悬置系统的动力学响应特性，作为虚拟载荷迭代中的传递函数直接影响了施加在全内饰车身模型上的载荷准确度。

载货汽车驾驶室悬置系统的多体动力学模型建立是一个复杂的系统工程，如图6所示，需要确定系统的硬点位置、部件连接关系、刚体质量质心和转动惯量参数以及橡胶悬置的线性或非线性特性参数，同时还要考虑实际路试时驾驶室内成员仪器配重、车架的柔性化处理、驱动位置及传感器布置位置等问题。在模型建完后还需要对其进行静平衡测试及运动学测试以确保模型准确性。

本文建立的多体动力学模型由7部分组成，包括驾驶室、驾驶室内配重（驾驶员及仪器）、橡胶悬置的刚度及阻尼特性曲线、各种连接关系（运动副）、柔性车架、作为迭代目标的传感器和虚拟驱动。

3.5 虚拟载荷迭代

驾驶室疲劳分析时需要得知施加在驾驶室上的时间历程载荷，但由于其无法测得，只能将其他实际测得的信号值（如驾驶室或车架上的加速度信号）作为迭代目标，将多体模型作为传递函数，通过反复迭代，使响应信号无限接近目标期望信号，最终反算出加在车架上的近似位移驱动，进而获得施加在驾驶室上的时间历程载荷即虚拟载荷迭代。

图7为参考信号和响应信号的虚拟载荷迭代结果对比，以鱼鳞坑工况左前悬置处驾驶室上的Z向加速度信号为例，通过对比发现，参考（目标）信号与仿真响应信号在时域、频域和程对计数上吻合度都比较理想。

通过以上对比可以认为迭代模型精度较高，依此迭代出的驱动准确，计算出的悬置接口点载荷真实可信。最终计算出的悬置接口点载荷如图8所示（以鱼鳞坑工况左前悬置XYZ3向力为例）。

3.6 疲劳寿命分析与结构改进措施

疲劳寿命分析时需要惯性释放单元应力结果和悬置输出时间历程载荷叠加计算，同时需要输入材料的特性曲线及修正参数，利用应力或应变寿命分析方法，得到车身结构的损伤分布。本文的案例应用应变寿命分析方法，即ε—N法，如图9所示，主要针对低周疲劳（102～105次循环）工况，应力水平较高，其峰值应力常高于材料的弹性极限，有明显的宏观塑性变形。ε-N法能针对汽车结构件的缺口效应及应力集中影响所产生的局部循环塑性变形计算其疲劳损伤，主要表达式即Manson-Coffin方程为：

式中，εa为应变幅值；σ′f为疲劳强度系数；ε′f为疲劳塑性系数；b为疲劳强度指数；c为疲劳塑性指数；Ni为各种应变幅下的寿命。

金属材料在低周疲劳初期，由于循环应力作用，会出现循环硬化和循环软化现象，对于该特性，有以下公式即Ramberg-Osgood方程表述：

式中，εa为应变幅值；σa为应力幅值；E为弹性模量；K′为循环强度系数；n′为循环应变硬化指数。

一般情况下运用Palmgren-Miner理论，即Miner线性疲劳累积损伤法则计算疲劳损伤：

式中，D为总的疲劳损伤；ni为某应力水平下的循环次数；Ni为该应力水平下材料达到破坏的总循环次数；N为总疲劳寿命。

式（1）与式（2）相结合得到试验或经验材料曲线，根据Miner线性损伤累积法则与平均应力修正即可计算结构的疲劳寿命。

首先针对原驾驶室结构不足进行了改进，改进措施如下：

a.前围加强梁结构优化

改善发动机舱开口处主要承载梁即前围加强梁结构，形成整体式加强梁结构，避免由于两件搭接出现应力集中，可提高前围局部刚度，同时增大发动机舱左侧拐角半径，尽量保证两拐角位置强度一致，如图10所示。

b.前围内部结构优化

通过增加与前围加强梁相对应的内部结构件，可以加大地板发动机舱内部的结构断面，提高抗弯能力，同时保证加强梁与风窗下横梁和地板形成连续加强结构，避免刚度突变。加强结构关键连接部位采用螺栓固定，以提高连接强度，如图11所示。

根据驾驶室原结构与改进结构进行疲劳寿命分析，结果如图12所示。

通过计算得到结构的疲劳损伤和疲劳循环次数，经过转化可得到其里程寿命，其原结构开裂处的寿命与实际寿命比值为0.85，在疲劳标准误差范围内（0.5～2）。结构改进后的疲劳寿命为原结构的250倍左右，疲劳强度得到了明显增强。结构改进后的试制样车已通过了累计12 000 km的强化路测试与台架耐久测试，车身未出现任何疲劳开裂问题，证明针对载货汽车驾驶室的疲劳寿命预测技术精度较高。

4 结束语

结合某载货汽车驾驶室局部疲劳开裂的案例，对载货汽车驾驶室的疲劳仿真方法进行论述，对路谱采集、信号处理、橡胶衬套的特性分析、多体建模、虚拟载荷迭代和疲劳寿命分析等各关键技术点进行了系统描述，最终针对疲劳计算结果采取了相应的结构改进，使该款载货汽车通过了道路试验和台架试验考验，满足了其设计使用要求。充分证明，利用疲劳仿真方法完全可以解决因疲劳破坏造成的驾驶室开裂现象，同时对早期驾驶室设计起到了很好的指导意义，即在样车生产前就可以对其疲劳寿命进行预测。

通过对载货汽车驾驶室疲劳仿真方法的研究，建立起载货汽车驾驶室及悬置系统疲劳仿真平台，平台中涵盖了设计、试制、试验、仿真、分析等多学科集成的闭环系统。随着后续研究的深入，这套疲劳仿真平台也有助于悬置系统及内外饰附件的优化设计，实现驾驶室总成、内外饰附件及悬置系统的性能合理匹配。

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3韩德宝，宋希庚.橡胶隔振器刚度和阻尼本构关系的试验研究.振动与冲击，2009，203（1）：156～160.

4肖志金，朱思洪.基于虚拟样机技术的轻型载荷汽车车架疲劳寿命预测方法.机械设计，2010，27（1）：59～63.

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7方见光，高云凯，等.车身疲劳载荷谱的位移反求法.同济大学学报，2013，41（6）：895～899.

8赵婷婷，李长波，等.基于有限元法的某微型货车车身疲劳寿命分析.汽车工程，2011，33(5)：428～433.

9Kang D，Heo S and Kim H.Virtual Road Profile Modeling Using Equivalent Damage Method For VPG Simulation. SAE，2009-01-0814.

10Sawa N，Nimiya Y and Kubota Y.Fatigue Life Prediction on Rough Road Using Full Vehicle Co-simulation Model with Suspension Control.SAE，2010-01-0952.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年3月1日。

Research on Durability Simulation Approach of Truck Cab

Wang Zhongxiao，Yan Xin，Guo Maolin，Xu Zhonghao，Jiang Di
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

As a result of complex service conditions of duty trucks，cab static analysis can not satisfy fatigue and durability requirement，therefore the durability simulation Approach based on real road spectrum is introduced to cab design analysis.Based on the local cracks of a truck cab，some key technical points including road spectrum data acquisition，signal processing，feature analysis of rubber bushing，multi-body simulation，virtual load iteration and fatigue life analysis，etc.，are introduced.By means of fatigue simulation and structural optimization，local cracks in the truck's cab have been avoided.

Truck,Cab,Fatigue simulation method,Virtual load iteration

载货汽车驾驶室疲劳仿真方法虚拟载荷迭代

U463.81

A

1000-3703（2014）07-0054-05