基于虚拟迭代技术的某纯电轻卡驾驶室疲劳寿命分析

刘红梅，王中昊，张廷波

基于虚拟迭代技术的某纯电轻卡驾驶室疲劳寿命分析

刘红梅，王中昊，张廷波

（浙江吉利新能源商用车集团有限公司，浙江 杭州 311228）

针对车辆耐久试验中钣金及焊点开裂问题，通过采集道路试验随机载荷谱，基于虚拟迭代方法提取了某纯电轻卡车型驾驶室疲劳载荷。基于迭代载荷完成了驾驶室钣金及焊点疲劳寿命分析，有限元分析结果与实车路试一致，说明了该方法的有效性，并形成一套可操作的技术文件，为后续车型开发提供技术积累。针对存在的风险进行钣金及焊点优化，有效提升产品耐久性能。

驾驶室；虚拟迭代；疲劳分析；载荷谱；纯电轻卡

驾驶室作为纯电轻卡车型的一个关键系统，是驾驶员和乘员工作的地方，关系到驾驶员的安全、工作效率和健康[1]。因此，如何设计出结构可靠的驾驶室，成为了整车开发过程中重要的一环。

近些年来，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析技术已经全面应用于车辆开发过程中，与整车道路试验相结合以实测道路谱载荷仿真技术正成为汽车结构疲劳寿命预测的重要途经[2]，如何在样车初期准确预测驾驶室的结构耐久性能，成为了CAE工程师的重中之重。目前有多种分析方法对驾驶室结构进行验证，精度较高的方法为虚拟迭代+有限元分析。本文基于虚拟迭代获取的载荷，对驾驶室耐久性能进行了分析，得出驾驶室结构的寿命分布，这对驾驶室前期设计及开发具有较好的指导意义，能够缩短产品的开发周期，降低开发成本，提高产品的市场竞争力[3]。

1 多体动力学模型搭建

1.1 驾驶室转动惯量测试

虚拟迭代方法是将道路试验和仿真结合起来的有效方法，其准确性依赖于模型的准确性。为了能准确模拟实车状态，需要对驾驶室及其悬置零部件性能进行测试，如图1所示，测试结果如表1所示。

图1 驾驶室转动惯量测试

表1 驾驶室转动惯量测试结果

质量/kg转动惯量/(kg·m2) IxxIyyIzzIxyIyzIxz 437355289418-122133

1.2 翻转助力模型搭建

为了维修方便，一般驾驶室都有翻转功能，纯电轻卡驾驶室的翻转通过助力的方式实现，即在前悬置处设置一根助力扭杆，在扭杆安装时，使扭杆扭转一定角度，保证在翻转驾驶室时，提供一定助力，使得操作人员翻转手力变小。实车中，扭杆一端通过花键与外套筒连接，进而连接在车身上。另一端连接在车架上，如图2所示。

图2 扭杆示意图

因此，将扭杆简化为Nonlinear Beam，一端通过traslational运动副与车身连接，另一端施加初始扭转角度，如图3和图4所示。

图3 扭杆预加载单元

图4 扭杆预加载单元设置

1.3 刚柔耦合模型搭建

Adams/Car中，物体分为刚性体和柔性体。驾驶室悬置系统虚拟迭代模型包括刚性驾驶室、一段柔性车架、橡胶悬置简化为bushing单元、扭杆简化为Nonlinear beam单元，建立虚拟迭代模型。

2 虚拟迭代

2.1 载荷谱采集

驾驶室试验场载荷谱采集的主要目的是获取驾驶室悬置上下的加速度信息，为虚拟迭代提供目标信号。本次采集在襄阳试验场进行，试验路面包括：石块路、长波路、直搓板路、斜搓板路和扭曲路，试验信息如表2所示。

表2 试验工况信息

序号EVENT路面车速/(km/h) 1EVENT1石块路40 2EVENT2长波路60 3EVENT3直搓板路60 4EVENT4斜搓板路60 5EVENT5扭曲路10

2.2 虚拟迭代

虚拟迭代设置7个激励通道，分别为4个向，2个向和1个向。其中四个向分别设置在前板簧前卷耳左右侧，前板簧吊耳与车架连接点左右侧，2个向分别设置在前板簧前卷耳左侧和前板簧吊耳与车架连接点左侧；1个向设置在第三横梁中间，如图5所示。

图5 虚拟迭代模型

2.3 载荷谱采集

经过迭代所有路面的相对损伤值比如表3所示，所有关注通道的相对损伤值比均位于0.5～2之间，满足迭代要求。

表3 相对损伤值比

扭曲路比利时路直搓板路斜搓板路长波路 车架侧左前0.640.830.770.911.49 车架侧右前0.810.860.870.911.48 车架侧左右1.60.951.020.871.37 车架侧右后1.090.990.781.61.58 驾驶室侧左前0.731.611.11.220.99 驾驶室侧右前0.671.181.310.810.9 驾驶室侧左后0.890.630.711.471.02 驾驶室侧右后0.820.581.170.960.84

图6展示了石块路的仿真曲线与试验曲线对比结果。从曲线看到，仿真加速度与测试加速度结果时域接近，且相关性较好。

3 疲劳分析

基于虚拟迭代得到的载荷，对驾驶室白车身进行疲劳分析。

3.1 车身有限元模型建立

对车身三维模型进行网格化分，主要网格尺寸为8 mm，局部细化为3 mm。焊点单元采用rbe3+ hexa+rbe3形式模拟，考虑焊点疲劳的稳健性，焊点直径为3.3 mm，焊点单元不允许与rbe2单元共节点，关注区域的焊点不允许连接圆角等特征，最终建立的有限元模型如图7所示。

图7 驾驶室有限元模型

3.2 车身模态分析

模态分析是弹性结构的固有属性，通过模态分析可以识别结构系统的动力学特性，对结构危险部分进行预判。本车身骨架主要材料采用DC系列优质碳素结构钢，总质量为136 kg，其一阶扭转频率为26.6 Hz，一阶弯曲36.2 Hz，分别大于竞品目标值25 Hz、34 Hz，满足目标要求，如图8所示。

3.3 疲劳寿命分析

利用虚拟迭代得到的载荷，对某纯电轻卡驾驶室进行疲劳分析，其中焊点疲劳分析基于力法[4]开展，有限元输出焊点单元力。将分析结果与实车开裂问题进行对比，驾驶室开裂如图9所示，仿真对比如图10所示。从对比看到，仿真预测的与实车路试开裂问题一致，说明虚拟迭代+有限元分析方法，能有效预测驾驶室开裂问题，是驾驶室开发过程中规避耐久风险的有效方法。

图9 驾驶室开裂图片

图10 仿真对比图片

4 结论

本文基于虚拟迭代方法，提取了驾驶室的疲劳载荷，并预测了驾驶室本体及焊点的开裂，预测结果与实车一致，基于虚拟迭代技术的白车身钣金及焊点疲劳分析方法是驾驶室开发过程中有效方法，通过风险位置增加钣金厚度及优化焊点布局等方法规避前期设计风险，加快了设计步伐[5]，提高产品的耐久性能。

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 龙海强,胡玉梅,刘波,等.基于随机载荷的白车身焊点疲劳寿命预测[J].汽车工程,2016,38(8):1006-1010.

[3] 张少辉.基于虚拟迭代的某商用车驾驶室疲劳寿命分析研究[D].合肥:合肥工业大学,2017.

[4] NAKAHARA Y,TAKAHASHI M,KAWAMOTO A,et al.Method of Fatigue Life Estimation for Spot-welded Structures[J].SAE Technical Paper:2000-01-0779.

[5] 赵世宜.基于FEMFAT的白车身疲劳分析[J].汽车实用技术,2014,39(4):84-86.

Fatigue Analysis of a Pure Electric Light Truck Cab Based on Virtual Iteration Technology

LIU Hongmei, WANG Zhonghao, ZHANG Tingbo

( Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicles Group Company Limited, Hangzhou 311228, China )

In order to solve the sheet metal and solder joint cracking problem during the vehicle endurance test, this paper collects the road test of random load spectrum, based on the virtual iterative method, the fatigue load of the cab of a light truck is extracted, and the fatigue life of the cab is analyzed using the iterative load. The finite element analysis results are consistent with the results of the road test, which provide an effective forecasting method of the virtual iterative method, and form a set of operable technical documents for the development of subsequent models to provide technical accumulation. In view of the existing structure risks and solder joint optimization, this technique can improve product durability performance effectively.

Cab;Virtual iteration;Fatigue analysis;Load spectrum; Pure electric light truck

U462

A

1671-7988(2023)17-85-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.015

刘红梅（1981－），女，硕士，工程师，研究方向为整车性能结构耐久仿真分析，E-mail:liuhm_2012@163.com。