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車身疲勞耐久評估方法簡介

2020-06-12 23:56:58·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
車身疲勞耐久評估方法簡介不知道為什么小時候的我經(jīng)常遇到需要弄斷鐵絲卻沒有老虎鉗也沒有小李飛刀的直接考驗我智商的高光時刻。雖然顯然不能像非洲朋友那樣牙咬
車身疲勞耐久評估方法簡介
   
不知道為什么小時候的我經(jīng)常遇到需要弄斷鐵絲卻沒有老虎鉗也沒有小李飛刀的直接考驗我智商的高光時刻。雖然顯然不能像非洲朋友那樣牙咬手撕但我也不是沒試過當然最后結(jié)局都是沒成功。后來可能是因為吃了家里唯一葷菜雞蛋腦細胞發(fā)育了發(fā)現(xiàn)反復折彎再反復折彎鐵絲就會突然斷了。至于鐵絲為什么會突然斷了我不知道反正就是斷了。再后來改革開放了日子好了能吃上豬肉了腦子也發(fā)育的差不多了其中的緣由也就慢慢的明白了。
     
一根鐵絲，想要徒手拉斷或者瞬間折斷那幾乎是不可能的，但是如果你將它反復折彎很多次便可以把它折斷。這其實就是鐵絲被整疲勞了，發(fā)生了疲勞破壞。因為鐵絲等金屬件在生產(chǎn)加工過程中會出現(xiàn)各種缺陷，比如宏觀的氣孔、雜質(zhì)、表面劃痕以及微觀的晶體位錯、滑移帶等。在外力作用下這些缺陷處會出現(xiàn)局部應力集中，當局部應力大于材料的屈服強度時便會萌生微裂紋，這些微裂紋在交變載荷作用下逐漸擴展，當擴展到一定程度時突然斷裂。
   
鐵絲的疲勞破壞過程中交變載荷水平較高，塑性應變起主導作用，疲勞壽命較短，屬于應變疲勞或低周疲勞；當交變載荷水平較低，彈性應變起主導作用時，疲勞壽命較長，屬于應力疲勞或高周疲勞。高周疲勞在日常生活中更加普遍，因其交變載荷小，沒有明顯的塑性變形等前兆，不容易提前發(fā)覺，所以具有更大的危險性。美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機曾經(jīng)在模擬空戰(zhàn)時就出現(xiàn)了驚險的一幕，事故造成美軍F-15戰(zhàn)機大面積停飛，調(diào)查結(jié)果顯示，事故起因于飛機上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞破壞。
 
圖1 F-15戰(zhàn)機疲勞破壞（圖片源自網(wǎng)絡）
   
汽車作為我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾拇焦ぞ?，也是由大量金屬件?gòu)成的。當汽車行駛在道路上時由于路面的不平整，車身結(jié)構(gòu)會受到交變載荷作用，從而產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴展。為了保證車身在整個設計生命周期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，我們需要對車身結(jié)構(gòu)進行疲勞耐久性能評估。評估方法可分為試驗法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，實際的項目開發(fā)過程中，兩種方法相結(jié)合使用。在項目開發(fā)前期，樣車試制前的產(chǎn)品設計階段，通過CAE仿真分析識別出疲勞耐久性能危險部位并進行迭代優(yōu)化，直到疲勞耐久性能合格。然后按照優(yōu)化好的數(shù)據(jù)進行樣車試制，之后進行樣車臺架試驗及試車場道路試驗。整個流程大致如下：

1、路譜載荷獲取
   
CAE疲勞耐久仿真分析需要提供載荷信息輸入，即汽車在道路上行駛時的受力情況。目前普遍做法是利用六分力儀采集輪心力，然后利用多體動力學軟件建立整車動力學模型，將采集的輪心載荷分解到與底盤相連的車身硬點位置作為車身疲勞耐久仿真的載荷輸入。通過這種方法得到的載荷信息稱為實采路譜載荷。由于實采路譜載荷的采集必須等到試制車輛制造完成后才能進行，為了降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，越來越多的汽車公司開始使用3D虛擬路面技術(shù)采集載荷。采用激光掃描設備，對實際路面進行三維掃描和建模，得到虛擬數(shù)字路面模型[1]。然后通過多體動力學分析軟件在數(shù)字路面上進行整車動力學分析，輸出車身硬點的載荷作為車身疲勞耐久仿真的載荷輸入。通過這種方法得到的載荷信息稱為虛擬路譜載荷。
 
2、仿真模型建立
   
利用有限元軟件建立車身有限元網(wǎng)格模型及相應的焊點、粘膠、螺栓等連接關(guān)系，對各個件賦予相應的材料屬性并在與底盤相連的車身硬點位置施加載荷，得到車身疲勞耐久仿真模型。車身疲勞耐久問題一般都屬于高周疲勞，目前普遍采用準靜態(tài)法進行線性應力求解計算，作為后續(xù)疲勞耐久計算的輸入。
 
圖2 車身疲勞耐久仿真模型
 
3、疲勞仿真分析
   
通過疲勞仿真分析軟件將上一步計算的應力結(jié)果和相應的疲勞材料屬性相結(jié)合，導入路譜載荷并按特定的循環(huán)次數(shù)進行疊加計算，便可得到相應的疲勞損傷結(jié)果。損傷即載荷對材料造成的傷害，最常用的是Miner線性損傷累積法則。根據(jù)該損傷法則，零件在外界作用力循環(huán)作用下，零件吸收能量達到最大值產(chǎn)生疲勞破壞，若試樣加載歷史所產(chǎn)生的應力水平為σ1, σ2, …, σi，各應力水平下的疲勞壽命相應為N1,N2,...,Ni，各應力水平下的循環(huán)次數(shù)相應為n1,n2,...,ni。則Miner線性損傷表達式為：
 
式中：D為總的損傷量；l為變幅載荷的應力水平等級；ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級載荷下的疲勞壽命[2]。
   
根據(jù)miner線性損傷累積法則，如果仿真結(jié)果顯示某處的總損傷值D≥1，則表明該處將發(fā)生疲勞破壞，需要采取相應的優(yōu)化方案進行優(yōu)化。

4、臺架疲勞試驗
   
為了盡早發(fā)現(xiàn)問題并進行快速整改驗證、減少道路試驗失效風險和試驗輪次，通常會在道路疲勞試驗之前采用24通道整車道路振動模擬試驗系統(tǒng)進行臺架疲勞試驗[3]。24通道在垂向、縱向及側(cè)向上都可以很好地復現(xiàn)路面對整車的激勵，可以對車身結(jié)構(gòu)件進行疲勞耐久性能考核。相對于試車場道路疲勞試驗，臺架疲勞試驗在室內(nèi)進行，不易受外界因素影響，數(shù)據(jù)一致性及結(jié)果重復性好，能夠較好地完善驗證CAE分析[4]，而且能在較短的時間內(nèi)完成試驗，可為項目節(jié)省成本和時間，有效提高項目開發(fā)效率。
 
圖3 24通道臺架疲勞試驗
 
5、道路疲勞試驗
   
由于影響疲勞耐久性能的因素很多，僅依靠CAE仿真分析及臺架疲勞試驗難以把所有的因素都考慮在內(nèi)，所以最終都要通過實際的道路試驗來確保疲勞耐久性能滿足使用要求。試驗樣車在試車場內(nèi)特定的試驗道路上，按照特定的試驗規(guī)范駕駛來重現(xiàn)汽車在整個設計生命周期內(nèi)的疲勞損傷。試車場用于疲勞耐久試驗的主要道路有：比利時石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓板路、起伏路、搖擺路、破損路、方坑、標準坡道等，通過這些道路能夠模擬客戶實際使用中的典型路面工況，進而達到考核產(chǎn)品疲勞耐久性能的目的。試驗規(guī)范的制定是通過采集客戶的實際使用數(shù)據(jù)，然后結(jié)合試車場特定耐久性道路，通過調(diào)整在不同路面上的車速和循環(huán)次數(shù)，達到等效客戶實際使用時的疲勞損傷。為了縮短試驗周期，試車場疲勞耐久試驗一般按照4~10倍的系數(shù)強化[5]，下圖為道路疲勞試驗的部分典型路面。
 
圖4 道路疲勞試驗典型路面（圖片源自網(wǎng)絡）
   
試驗過程中若出現(xiàn)疲勞失效問題，則要根據(jù)具體失效情況進行具體分析及優(yōu)化，必要時需要在優(yōu)化的基礎(chǔ)上再次進行道路試驗，以消除潛在的疲勞失效風險。
 
參考文獻
[1] 孫成智等.基于3D數(shù)字路面的整車耐久性能評估方法研究[J].汽車工程,2017.
[2] 王國軍.MSC.Fatigue疲勞分析實例指導教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.
[3] 李張銀.整車道路模擬與道路試驗關(guān)聯(lián)研究[J].汽車零部件,2013.
[4] 閆躍奇等.乘用車C柱內(nèi)板開裂分析以及改進措施[J].汽車零部件,2016.
[5] 王繼光.汽車耐久性試驗[J].硅谷,2011. 
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