发罩疲劳寿命分析方法的研究

丘明敏 唐宏俊 莫澄明

【摘 要】针对发罩在路试中存在钣金和焊点开裂的问题，文章阐述了从实验路面载荷谱的采集、动力学模型的建立、发罩载荷的提取、发罩单位应力求解到最终的疲劳寿命分析的流程。对发罩的疲劳寿命进行分析，其仿真结果与实验样车的路试疲劳耐久的试验结果进行对比，仿真分析结果与试验结果高度吻合，从而验证了此仿真分析方法的可行性，为后续车门系统疲劳寿命分析提供技术支持和数据积累。

【关键词】载荷谱采集;发罩;疲劳寿命分析;车门系统

【中图分类号】U463.834 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0058-04

目前，国内外对于门系统的分析评价主要是基于乘用车的刚度分析及评价指标，而对于可靠性道路试验中的门系统或者门系统附带的疲劳耐久性问题的分析与评价较少。因而在目前的产品开发前期，只有对门系统的刚度进行一定的评价，而对于产品是否存在疲劳问题，大多数只能等试验结果。如果在疲劳耐久性路试中存在问题，仅利用基于静态对比分析进行解决，只能解决一部分问题，对于多数问题的真实原因并不清楚，另外一部分问题仍没有很好的解决方案。

随着客户对汽车疲劳耐久性要求不断提高和认识的不断深入，门系统或者门系统附带的疲劳耐久性问题已经占到车身耐久性问题的25%左右，因此迫切需要建立一套适合门系统疲劳的分析方法及流程规范，工程师能够从被动解决已出现的问题变成主动在设计开发之初就较好地发现并解决问题，从而缩短研发周期，降低时间成本。

本文就某车型的发罩，运用Nastran计算发罩的静态单位应力;运用Adams建立多体模型，结合采集到的路谱数据，迭代提取发罩与车身连接部分的动态载荷;发罩材料的S-N曲线等;采用Miner疲劳计算法则对发罩进行疲劳寿命分析方法研究。

1 技术路线

针对发罩路试钣金、焊点开裂的问题，主要原因有焊点质量问题、车门装配紧密问题和存在疲劳耐久问题。前两者的问题需要在试验车发车前现场检查确认，并做好记录。若是在排除前两个因素的情况下，发罩仍存在开裂的现象，则与路试疲劳有关。我们通过研究车身疲劳分析的方法，利用实际道路路谱采集提取发罩上的动态载荷，与CAE疲劳寿命分析方法结合，可制定出发罩疲劳分析的技术路线。

2 道路路谱采集

道路路譜采集尤为重要，其数据的有效性直接关系到后续分析的结果。试验车在路试试验前，需经过在前、后座位上用沙包进行配重至满载状态;在轮轴、大梁等需要测量的位置粘贴应变片和安装轮心六分力传感器、加速度传感器、拉线位移传感器等，进行采集通道的前期安装工作，然后由专业驾驶员按照试验规范在试验道路驾驶，从而得到相应的路谱数据。依据我们目前的技术手段，疲劳耐久性路面分可为低频、中频、高频3个频率的波段，其中包括典型的低频扭曲路、高频搓板路、中频石块路和比利时路等。采集通道包括车轮轮心六分力、轮心加速度、拉线位移、弹簧应变等，这些通道在后续的模型迭代中均为重要的通道。在试验过程中，通道的完整性检查需专业的人员现场监测和检查，若是发现有异样需立即调整或重新跑存在异样信号的路面。

对道路采集到的各路面损伤做统计，各路面损伤能量分布图大致。低频段扭曲路2的损伤较大，中频段的石块路1和比利时路1等路面的损伤较大，而高频段的搓板路1和搓板路3的路面损伤较大。

采集得到的路谱数据需要通过有效性检查，从而分割、选择出有效性最佳的路面进行迭代。有效性检查一般包括功率谱检查、雨流统计等手段。采集得到的搓板路轮心Z向力的时域信号和其功率谱，从时域信号和其功率谱图可判断此信号为有效路谱数据。

3 多体模型迭代提取发罩连接点载荷

3.1 多体动力学模型

多体动力学基础模型包括前、后悬架，以及横向稳定杆、转向器系统、副车架、车身等。横向稳定杆和副车架需要进行柔性化。在本次研究的多体动力学模型中，需增加发罩与车身的连接部分，发罩（车门系统）进行柔性化。此外，模型需要建立发罩连接点的载荷包括左、右铰链点载荷和锁扣点载荷的输出通道，为提取动态载荷作准备。前、后悬架模型需经过K&C对标之后方可搭建出整车模型。整车模型的重量需与试验车的总量相同，且4个轮心Z向轴荷调整到与实车在平路上一致。之后在多体模型中将4个轮心输出通道的6个方向的力调零，轮心拉线位移及弹簧位移均调为零。此举方便后续模型迭代过程中的数据对比。

3.2 迭代提取载荷

基于目前的迭代方法，以目标信号迭代算法是整车道路模拟的核心内容。本次研究采用试验路谱轮心六分力24个通道信号作为输入，并以试验路谱轮心六分力24个通道信号+4个轮子拉线位移的4个通道信号作为主要迭代目标信号，轮心Z向加速度、车身Z向加速度和弹簧力或者弹簧位移作为监测信号。在多体模型中创建相应的40个输出通道，并以其作为目标信号的响应信号。当迭代响应信号与目标信号之间的损伤误差达到允许范围之内时，其损伤比值趋于收敛状态，则可停止下一步迭代，并取迭代最后一步的结果作为最终迭代结果。轮心拉线位移和轮心Z向力的迭代结果与对应的实际路谱信号对标，黑色为实际路谱信号，红色为迭代结果。其时域和幅值都高度重合，对标结果很好。

迭代完成后，从最终迭代结果中再分离提取出发罩左、右铰链和锁扣点的6个方向（Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz）的载荷，一共有18个通道。将这18个通道按照一定的顺序排列好，以备后续疲劳分析使用。提取的左、右铰链和锁扣点的Z向上的载荷。

4 发罩单位应力求解

由于造成发罩钣金和焊点路试开裂的载荷远高于单次提取的载荷，因此利用发罩有限元模型基于准静态叠加法求得发罩在每一个单位静载荷下的单位应力，然后使用与之对应的载荷谱时间历程，两者叠加后，再乘以路谱循环数，从而得到发罩在此路面的总损伤。而零部件的疲劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平，因此采用S-N曲线方法来计算发罩的疲劳寿命。

在发罩有限元模型中，对发罩的左、右铰链和锁扣安装点，分别加载6个单位载荷分量（Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz），对此有限元模型进行计算，得到包含单位载荷下6个应力分量的有限元计算结果文件（.op2文件）。读取结果文件，得到发罩右铰链区域（左右对称，因此在此图只列出右铰链区域）和锁扣区域单位应力云图，应力主要分布在发罩铰链安装区域的拐角特征及焊点位置和锁扣安装区域的焊点位置，在此将应力较大的点标注为开裂的风险区域。

5 基于应力影响系数及实际载荷的疲劳寿命分析

疲劳损伤是有限寿命设计的核心问题，而Miner法则的形式比较简单，使用方便，因此在工程上应用广泛。疲劳的基本计算法则即为Miner法则，对每级载荷谱单独作用时造成的损伤进行累积，最后得到总损伤。该计算方法基于单位载荷的应力影响系数与实际载荷的叠加。

Miner法则：

式中，l为交变载荷的应力水平级数，ni为第i级载荷的循环次数，Ni为第i级载荷下的疲劳寿命。

借助疲劳分析软件，将发罩的有限元模型（.bdf文件）和单位应力结果（.op2文件）通过接口读入，再将发罩提取得到的实际单个时间历程载荷谱导入，在此导入的载荷数据即为上述中提取的发罩的18个通道的载荷。基于应力影响系数及实际载荷疲劳寿命分析的Miner法则，对发罩进行疲劳寿命分析。分别将单位应力结果文件和18个通道载荷谱激励文件进行定义关联，再定义输出文件类型。另外，在疲劳分析软件中设置材料参数、影响因素等，便可计算模型的寿命、损伤。

材料的定义是重要部分，输入材料的弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、抗拉强度等参数。在发罩有限元模型中要对各部件按照材料进行分组，并在疲劳分析软件中根据实际材料的抗拉和屈服值来创建材料的S-N曲线。也可以先创建好，导入使用即可。本次发罩使用材料主要是BUSD和BLD，试验得到BLD的S-N曲线。

分别计算各个路面下单个循环数量的疲劳损伤，取各损伤结果乘以其实际循环数量，并进行线性叠加，便可得到发罩的总损伤量。发罩在搓板路下单个循环数量的疲劳仿真结果。图上显示损伤值最大出现在发罩右侧铰链附近的内板上，此位置是由于内板造型造成的应力集中的风险位置。仿真结果损伤值最大的位置与图9中右图的实车路试发罩开裂位置吻合，而此处的开裂较为严重，导致其附近两个焊点开裂。从图9左图仿真损伤云图中可看出开裂的两个焊点的位置（圆圈位置）亦受到钣金损伤最大的位置的影响，此仿真结果趋势与实车路试结果一致。

6 结语

本文通过实车道路载荷谱采集到多体模型迭代提取得到发罩左、右铰链和锁扣的动态载荷，以及分析准静态单位载荷施加得到发罩单位载荷应力结果。结合提取得到的動态载荷与发罩单位应力结果对发罩的疲劳寿命进行分析，走过了这一分析方法流程。从发罩疲劳仿真分析结果与实际路试结果对比图可以看出，计算得到发罩损伤最大的位置与实际路试开裂的钣金和焊点位置高度吻合，说明此疲劳仿真分析方法可行，对后续门盖疲劳仿真分析具有技术指导意义。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]