车身焊接薄板件疲劳分析

2019-10-19杨一昕程竹青

汽车世界·车辆工程技术（上） 2019年4期

杨一昕程竹青

摘要：车身焊接金属薄板件失效形式通常为疲劳断裂，本文选择白车身中受应力相对集中的后隔板位置进行疲劳耐久影响因素研究，从零件的材料选择、厚度、零件的形状以及焊点分布等方面进行CAE疲劳仿真分析。根据仿真分析结果进行实车改进，并通过改进后的道路试验，将仿真分析结果和道路试验结果进行比较，证明疲劳仿真结论和实车改进的有效性。试验证明该方法可以帮助评估车身焊接件疲劳问题解决方案，缩短问题解决与验证时间。

关键词：车身薄板件;疲劳耐久;仿真分析;道路试验

0 前言

汽车车身强度和可靠性主要通过实车道路试验或台架试验进行验证，但是，基于实际样车或部件的试验对潜在问题的反馈存在滞后性，难以明确影响因素。疲劳仿真分析可以帮助验证各种优化方案，减少或替代部分实车试验，提高车身焊接设计验证的准确度。

车身疲劳分析主要依据帕尔姆格伦-Miner疲劳累积理论进行[1]，多数研究集中在疲劳寿命的仿真预测和仿真体系的建立，上海大众建立了整车耐久性虚拟试验台架，代替实车的道路试验和试验室台架试验[2];上汽、一汽等利用CAE仿真技術进行了车身疲劳耐久预测[3]。对于将道路试验和仿真相结合，提出和制定优化方案并进行定量分析，相关研究与案例较少，特别是车身应力相对集中的后隔板，是新车开发中经常遇到的问题，本文从解决后隔板疲劳失效发生的对策制定和验证角度，从材料、厚度、形状、焊点分布等不同方面进行优化和疲劳仿真，从而获得最优改进方案。

1 车身薄板件疲劳分析理论

汽车行驶时，受路面连续激励，引起车身金属件随机振动，在某点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂。零件疲劳随高应力或高应变部位产生损伤并逐渐累积，导致性能退化，裂纹萌生、扩展直到完全断裂失效。疲劳破坏通常经过裂纹形成、裂纹扩展、疲劳断裂三个过程[4]。图1表示了零件疲劳总寿命定义的全过程。

1.1 疲劳损伤机理

本文采用Miner疲劳累积理论[5]，其假定材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤是先行叠加的结果。假定每一个循环所造成的平均损伤为1/N，根据损伤积累法则，n次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比[6]。当零件受到变幅载荷时，累积损伤量D等于各自循环比之和：

式中：为零件在次循环所受的损伤;为S-N曲线上对应等效应力幅值的破坏循环次数。当D=1时，零件发生疲劳失效，累计损伤结束。

1.2 零件疲劳分析方法

汽车在道路上行驶时受到路面不平度的连续激励，引起车身零件的随机振动，并最终导致疲劳失效。车身零件的疲劳寿命不仅与行驶的路面形状有关，而且与行驶速度有关，其寿命预测基于速度和路面的激励[7]。道路激励输入谱为：

其中为道路空间谱。

在任意路谱激励下的车身零件的动应力、动应力速度和动应力加速度的均方值分别为：

在随机载荷激励下，车身零件的动态应力响应是随机过程，相应的应力幅值S是随机变量，零件平均疲劳寿命的估计式为：

2 后隔板疲劳耐久仿真分析

车身后隔板是车身扭转应力最为集中的地方之一，作者经历的某A级轿车在实际的道路试验中发生了疲劳开裂，接下来针对开裂部位进行针对性的疲劳仿真分析和优化及验证。

车身零件疲劳寿命预测首先需建立白车身有限元模型，施加边界条件，计算的固有频率和振型，扩展模态并计算应力[8]。然后，输入谱密度，频率、阻尼参数，确定激励作用点及方向，定义激励缩放系数[9]，求解绝对应力和应力速度等动态响应历程。最后，模态合并，计算应力和应力速度等随机变量，由疲劳累积损伤理论计算车身危险部位的疲劳寿命[10]。

2.1 流程设定及模型搭建

本文选择HyperMesh软件进行完成前处理建立有限元模型;利用Nastran软件计算准静态下的单位载荷下的相应强度;利用六分力仪、位移传感器、加速度传感器等设备采集PAVE实验道路载荷路谱，并分解采集的载荷路谱;利用FEMFAT软件进行疲劳计算;最后用HyperWorks进行后处理，读取仿真结果[11]。PAVE实验的疲劳耐久仿真流程如图2，白车身有限元模型如图3。根据线性累积损伤理论的修正Miner法则和零件疲劳分析方法进行模拟仿真疲劳计算。

根据道路实验要求及仿真需要以及车身后隔板材料、料厚、形状、焊点分布等影响因素，建立车身后隔板有限元模型。车身后隔板模型网格划分如图4所示。

2.2 车身后隔板有限元仿真分析

根据提高车身金属薄板件疲劳可靠性的经验及常规方法，分别制定增加材料厚度、更改结构形式、变更材料、改善焊点分布等方案。仿真涉及材料牌号及其对应的强度级别如表2所示。

车身后隔板开裂即疲劳开裂发生部位如图5所示车身扭转剧烈位置的A、B两个部位。根据提升疲劳耐久可能的措施，共计5个方案，具体设计方案如表3所示。

方案1为车身后隔板选择DC01材料，料厚为0.7mm，A、B处形面不做更改，进行焊点布局优化，仿真结果如图6所示。

方案2为后隔板选择DC01材料，料厚为0.7mm，A、B处做圆角优化，不进行焊点分布优化，仿真结果如图7所示。

方案3为选择DC01材料，料厚为0.7mm，A、B处增加台阶边，进行焊点分布优化，优化方案如图8所示，仿真结果如图9所示。

方案4是指后隔板选择HC260Y材料，料厚为0.7mm，A、B处形面不做更改，不进行焊点优化，仿真结果如图10所示。

方案5是指后隔板选择HC260Y材料，料厚为0.8mm，A、B处形面不做更改，进行焊点优化，仿真结果如图11所示。

2.3 仿真结果对比分析

根据5个设计方案的疲劳仿真结果发现，如图12所示的1～5处的应力集中，损伤值较大。

本文对5种方案在1～5这5处的损伤值进行统计，对比分析，具体如下表4所示。

根据表4中的应力集中损伤值，发现在位置1和5处的损伤是最大的。根据线性疲劳损伤理论，损伤值等于1，是一个临界失效的状态，损伤值在1以下时，满足设计要求。

以1处为例，方案2与方案1对比优化了圆角，未进行焊点优化，发现位置1处的损伤值降低0.60;方案3与方案1对比增加了台阶面，位置1处的损伤值降低0.46;方案4与方案1相比材料由DC01改为HC260Y，未进行焊点优化，位置1处的损伤值降低2.23;方案5与方案1相比材料由DC01改为HC260Y且料厚由0.7mm增加到0.8mm，位置1处的损伤值降低2.70。根据疲劳损伤的仿真结果可知，焊點分布优化对降低疲劳损伤改善不明显;优化圆角、增加圆角台阶面都可以降低疲劳损伤值;更换材料，提高钢板的性能，能明显降低疲劳损伤值。根据仿真试验的结果，考虑对开发成本和周期影响最小的方案4作为改善方案，并在此进行试车道路试验。

3 试验结果分析和试验验证分析

根据企标及道路试验规范，规定比利时路面行驶有效试验里程2200km，等效于用户实际使用160000km。其中，组合路中、高强度比利时路面行驶有效里程1000km，在组合路低强度比利时路面行驶有效里程1200km。在组合路低强比利时路上，车速35km/h至40km/h;在综合路中、高强度比利时路面行驶，车速50km/h。通过高强比利时路，车速50km/h。试验行驶路线详见图13，按照①→③→②→④的顺序。

选择方案1和方案4实车改进后进行道路试验。实车试验结果如图14、15所示，方案1后隔板位置1试验结果钣金发生疲劳开裂;方案4后隔板实验结果未发生开裂。后隔板位置1处方案1仿真疲劳损伤值为3.23，超过临界损伤值;方案4仿真疲劳损伤值为0.73，小于临界失效损伤值。实车试验结果验证了仿真结果的正确性。

4 结论

本文主要对轿车后隔板开裂问题，采用仿真方法进行了疲劳可靠性的影响因素分析，通过实车道路试验与CAE疲劳仿真分析结果对比，得到以下结论：

（1）对于车身后隔板，材料本身的力学性能对于疲劳耐久性能影响大于厚度、形状、焊点分布等因素。

（2）疲劳仿真分析与道路试验结果相吻合，该方法有助于通过量化分析给出疲劳可靠性与成本综合最优的方案，缩短问题解决与验证时间。

参考文献：

[1]Bishop N，Sherratt F.Finite Element Based Fatigue Calculations[M].NAFEMS，2000.

[2]马扎根，陈栋华，胡文伟等.基于虚拟试验台的车身结构寿命预估与改进设计[J].汽车工程，2016，38（07）：896-900.

[3]孙涛，郑非，刘斌等.承载式车身快速疲劳试验与CAE分析相关性的研究[J].汽车工程，2016，38（03）：390-396.

[4]ASTM American National Standard，ANSI/ASTM[S].E206-72 （Reapproved 1979）.

[5]曼森SS.金属疲劳损伤-机理、探测、预防和维修[M].陆索译.北京：国防工业出版社，1976：20-30.

[6]Lassen T，Recho N.Fatigue Life Analyses of Welded Structures[M].Flaws：John Wiley& Sons，2013.

[7]孙凌玉，吕振华.利用计算机仿真技术预测车身零件疲劳寿命[J]. 汽车工程，2001，23（06）：389-391.