引言

在汽車設(shè)計中，白車身強度、疲勞壽命都是評價結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性的重要標準，白車身靜態(tài)強度仿真計算在開發(fā)前期能較快將結(jié)構(gòu)高應(yīng)力風(fēng)險區(qū)域進行暴露，但在汽車開發(fā)過程中往往存在準靜態(tài)強度無法直接預(yù)測的開裂現(xiàn)象，此時使用疲勞耐久仿真手段進行前期預(yù)測及評估更為必要，車身結(jié)構(gòu)80%以上的失效是疲勞引起的，為此對白車身結(jié)構(gòu)提出疲勞強度設(shè)計與分析十分重要。

傳統(tǒng)的汽車疲勞耐久性評價一般是通過可靠性試驗進行，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于疲勞耐久仿真軟件壽命預(yù)測及道路試驗驗證的方法受到廣大汽車企業(yè)的認可。本文將結(jié)合相關(guān)疲勞理論、Simcenter仿真軟件和西門子工程咨詢服務(wù)團隊豐富的項目經(jīng)驗對車身疲勞問題給出專業(yè)的解決方案。

01疲勞仿真概述1.1什么是疲勞

疲勞是零部件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下.在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

1.2疲勞仿真的優(yōu)勢

在汽車研發(fā)過程中，工程師需要根據(jù)汽車的性能目標對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如果在研發(fā)過程中對產(chǎn)品的疲勞耐久性采用試驗方式進行驗證，那么會大大增加開發(fā)成本和開發(fā)周期，而且對實驗設(shè)備有一定的限制條件。若采用虛擬仿真技術(shù)對產(chǎn)品的疲勞耐久性進行評估，則可以大大的節(jié)約開發(fā)成本，且容易獲得計算資源，也可以迅速的對優(yōu)化方案進行驗證，推進開發(fā)進度縮短開發(fā)周期。

1.3疲勞仿真的影響因素
載荷

載荷是影響零部件疲勞壽命的主要原因之一，汽車所承受的外部載荷是隨時間而變化的動態(tài)載荷，其中大部分是循環(huán)動態(tài)隨機載荷。所以獲得部件真實載荷歷程，是疲勞仿真的關(guān)鍵。

應(yīng)力

在零部件疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。表示這種應(yīng)力（應(yīng)變）水平S和標準試樣疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線。所以獲取準確的應(yīng)力值也是疲勞仿真的關(guān)鍵。

材料

材料的屈服強度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來說，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高。所以需要定義材料本身特性。

1.4如何解決仿真與實驗的差異

仿真是實驗的前提，而試驗又是對仿真的驗證，二者的關(guān)系是相輔相成的。仿真實驗最基本的步驟是建模，建模的過程就涉及到很多理論工作和經(jīng)驗結(jié)論，且仿真結(jié)果是在一個特定模型下的計算結(jié)果，所以仿真與試驗之間存在一定誤差是必然的。對于如何減少仿真與實驗的誤差，可以從以下幾個方面解決：

• 進一步改善分析方法（焊接模擬方式，有限元建模方式…..）

• 設(shè)置預(yù)期的修正參數(shù)

• 分析疲勞結(jié)果影響因素（試驗具有離散性、仿真結(jié)果有唯一性）

• 提高有關(guān)疲勞影響因素方面的理論知識

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02疲勞仿真載荷提取

進行車身及地盤零部件疲勞壽命計算首先要獲取部件真實載荷。針對疲勞載荷提取的問題，西門子工程咨詢團隊提供了兩套解決方案：

方案1:通過在試驗路或試驗臺上對部件進行工況試驗，獲取部件或系統(tǒng)載荷真實載荷；

方案2:利用仿真技術(shù)，通過系統(tǒng)的外部載荷，對系統(tǒng)進行多體仿真或有限元仿真計算得到部件載荷，當然，仿真模型的準確性需要用實驗標定。

現(xiàn)今，多體仿真已被確立為一項可靠的道路載荷計算技術(shù)。為了解決不同層次的模型復(fù)雜性以及測量數(shù)據(jù)可用性的問題，將使用多種方法從部件級懸架載荷到整車載荷。在整車載荷預(yù)測范疇中，Siemens PLM Software提供了兩種不同的方法：一種方法為數(shù)字路面法，是一種純粹的有限元方法；另一種方案是Virtual.Lab Motion 時域波形復(fù)現(xiàn)（TWR）軟件的混合路面法。

混合路面載荷預(yù)測技術(shù)路線

數(shù)字路面法：需要在軟件中詳細準確的搭建出多體疲勞輪胎模型、多體車輛模型、3D路面模型及駕駛員模型。

混合路面法：允許工程師使用試驗測量結(jié)果，并通過一致使用的方式將數(shù)據(jù)傳遞到CAE環(huán)境。此方法有助于提供真實的道路載荷預(yù)測，且避免了數(shù)字路面法帶來的一些復(fù)雜性和成本問題。混和路面載荷預(yù)測有以下優(yōu)點：

?準確預(yù)測底盤部件和車身的耐久載荷

?避免復(fù)雜且昂貴的輪胎和數(shù)字路面建模

?在建造樣車之前發(fā)現(xiàn)并解決車輛性能問題

?根據(jù)前代車型數(shù)據(jù)預(yù)測下代車型的道路載荷

?提供一致使用的方法將測試數(shù)據(jù)傳遞到CAE環(huán)境

?可進行車身不受約束的車輛仿真，得到更準確的載荷

?通過復(fù)現(xiàn)測試工況和準確預(yù)測部件載荷，可降低耐久性試驗的次數(shù)

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03焊接疲勞分析

焊接連接是工業(yè)領(lǐng)域上非常常見的結(jié)構(gòu)連接方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有非常重要的地位，因此焊接的結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度都非常重要。汽車工藝中常用的焊接工藝分為兩種：點焊和縫焊。下面詳細介紹一下西門子工程咨詢團隊對焊點疲勞和焊縫疲勞的解決方案。

3.1焊點疲勞

在汽車裝配過程中電阻點焊是主要的連接方法。點焊是將兩個或兩個以上的金屬板材壓在一起，并通過電流將板材連接起來。典型的例子是白車身結(jié)構(gòu)，包含數(shù)千個點焊連接。焊點的質(zhì)量及焊點的位置對焊點的疲勞性能有重要的影響。Simcenter PLM Software對于焊點疲勞提供了兩種方法：傳統(tǒng)的基于力的方法和基于應(yīng)力的方法。

傳統(tǒng)的基于力的方法（LBF）

?有限元網(wǎng)格：粗糙的NVH焊點模型 (HEXA, CWELD 或 CBAR)

?有限元軟件計算焊核上的力和力矩；

?中解析表達式（Rupp方法）得到焊核和影響區(qū)的徑向應(yīng)力（radial stress）；

?疲勞軟件中基于Rupp-SN-curve計算損傷；

?優(yōu)點：網(wǎng)格粗，計算快，直接利用NVH模型；

?缺點：應(yīng)力對網(wǎng)格靈敏度高，對網(wǎng)格質(zhì)量要求高；

基于應(yīng)力的方法

?有限元網(wǎng)格：詳細焊點模型 washer網(wǎng)格（至少有一個ring，一個ring里至少有5個elements）；

?焊接的兩個鈑金要保持平行，否則會引入多余的力矩，對應(yīng)力影響很大；

?基于精細化焊點模型計算出應(yīng)力；

?預(yù)測精確的疲勞壽命；

?優(yōu)點：精度高

?缺點：網(wǎng)格精細，計算速度慢；

3.2焊縫疲勞
基于名義應(yīng)力

? 從殼單元網(wǎng)格上讀取主應(yīng)力

? 查找具體的SN曲線(標準焊縫系列得到)

? 具體的SN曲線需要焊接幾何及加載條件

? 使用殼單元有限元網(wǎng)格 (焊縫幾何不被模擬)

?殼單元模型的焊縫其焊接處的局部應(yīng)力不能被計算 → 一般從焊縫相鄰的單元讀取應(yīng)力

名義應(yīng)力法典型的標準焊接類別

Simcenter Durability軟件可識別的焊縫類型如下：

基于局部應(yīng)力(RxMS 方法)

?使用較好的象征性的3D網(wǎng)格模擬焊縫幾何

?通過幾何讀取應(yīng)力

?查找焊縫的SN曲線（RxMS專用曲線）

?在板材交匯和焊接表面，模型具有恒定的缺口半徑尺寸

?焊縫具有單一的材料屬性

?采用的是S-N方法

?材料屬性是通過試驗反算得到

?考慮了平均應(yīng)力和離散性的影響

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04振動疲勞分析

當疲勞路面為激勵共振路面時，車輛在一定速度下，加載頻率顯著提高，就必須考慮其動力響應(yīng)。動態(tài)載荷會引起共振（局部共振，整體共振），從而發(fā)生振動的結(jié)構(gòu)疲勞。所以在高于結(jié)構(gòu)固有頻率的載荷下進行疲勞損傷評價時，為了考慮結(jié)構(gòu)振動引起的疲勞破壞，需要進行結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷下的動態(tài)響應(yīng)分析。由振動引起的疲勞問題技術(shù)路線可以分為：時域振動疲勞分析和頻域振動疲勞分析（隨機PSD和諧波頻譜）。

4.1時域振動疲勞分析

時域疲勞可以通過靜應(yīng)力分析或者模態(tài)瞬態(tài)法進行分析；其中模態(tài)瞬態(tài)法一般用于需要考慮共振對疲勞的影響，載荷的加載頻率接近系統(tǒng)的共振頻率；對于時域振動疲勞問題，我們基于Motion 3D給出以下解決方案：

●  采用系統(tǒng)級疲勞分析方法

●  Motion計算載荷：模態(tài)參與因子

●  Durability中計算疲勞損傷

●  不需要軟件的轉(zhuǎn)換，同時也不需要數(shù)據(jù)的切換。一切工作都可在Simcenter 3D中進行。避免人為的錯誤。

●  即考慮了低頻載荷的作用，也考慮了高頻振動因素的影響

4.2頻域振動疲勞分析一般來說得到一個應(yīng)力的功率普密度(PSD)比應(yīng)力的時間歷程要容易。而且快速的頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))計算比耗時的時域動力響應(yīng)計算更有參考價值。基于的PSD頻域疲勞預(yù)測方法比時域疲勞預(yù)測方法有以下優(yōu)勢。

• 時域所得損傷是取自對一段隨機變化信號的計數(shù)，因此通過時域方法獲得的損傷本身就是一個隨機變量，無法避免對所得的損傷結(jié)果進行統(tǒng)計推斷。這些需要進行循環(huán)計數(shù)，數(shù)據(jù)處理量非常大。而基于PSD的頻域分析方法計算簡單，不需要循環(huán)計數(shù)。

• 隨機動態(tài)應(yīng)力，在時域內(nèi)需要很長的信號記錄才能準確地描述隨機響應(yīng)，同時處理長的時域信號非常困難，而得到頻域功率譜應(yīng)力信號則較為方便。

• 用來進行疲勞分析的頻域信號采樣率只要達到時域信號采樣率的1／10就可以得到與用時域信號預(yù)測同樣精度的結(jié)果，頻域信號的讀取、儲存都比時域信號方便。

4.3時域分析與頻域分析的關(guān)系

頻域是表述時域信號的另一種形式，在x軸代表頻率而不是時間。把時域信號轉(zhuǎn)換到頻域時，我們把信號轉(zhuǎn)換成離散的，不同幅值/頻率/相位的正弦波。這些正弦波疊加起來就是原來的時間歷程。這種把時域信號轉(zhuǎn)換正弦信號的方法稱為“傅里葉變換”。值得注意的是， 因為功率譜密度（PSD）不包含相位信息，傅里葉反變換用于功率譜密度并不能完全再現(xiàn)原來的時域信號。但是對于各態(tài)歷經(jīng)固定相的高斯分布隨機過程，我們可以取出一段時間的時間歷程，假設(shè)它代表了原始的時間歷程的統(tǒng)計特性，如此假設(shè)是偏于保守的。

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05疲勞仿真應(yīng)用案例5.1菲亞特-耐久性虛擬驗證

項目挑戰(zhàn)：

• 創(chuàng)建可以產(chǎn)生可靠模型的虛擬設(shè)計

• 在汽車研發(fā)開始之前預(yù)測道路載荷

• 理解汽車對疲勞的響應(yīng)機制

• 統(tǒng)一北美和歐洲試驗場

成功的關(guān)鍵：

• 菲 亞 特 和 Siemens PLM Software 之間的長期合作關(guān)系

• Siemens PLM Software 提供定制解決方案的能力LMS 產(chǎn)品的易用性和強大功能

實施成果：

• 將實際載荷的誤差范圍減少至8%-15%

• 降低了初始階段的不確定性，更快地提高質(zhì)量

• 在制作樣車前進行仿真，減少了過設(shè)計

• 在兩個試驗場之間建立等效性，降低了成本

5.2奔馳-耐用性標準化過程項目挑戰(zhàn)：

• 保持耐用的質(zhì)量:對奔馳的品牌DNA至關(guān)重要

• 減少原型的數(shù)量，節(jié)省整車開發(fā)的時間和成本

• 成功標準化耐久性過程

• 當涉及到耐用性時，第一次設(shè)計就要正確

• 在新車開發(fā)中管理日益增加的復(fù)雜性

成功的關(guān)鍵：

• 找到仿真和測試解決方案的正確組合

• 做盡可能多的計算機輔助工程(CAE)

• 在正確的時間在一個非常高的水平上進行測試和測量

• 在相同的數(shù)據(jù)格式和過程管理工具上進行全球標準化

  
  

實施成果：

• 完全取消了預(yù)測試階段，取而代之的是CAE

• 實際上創(chuàng)建了缺失的測試數(shù)據(jù)，以簡化最終的測試過程

5.3尼桑-基于測試的耐久性工程項目挑戰(zhàn)：

• 通過強調(diào)發(fā)動機部件的耐用性和可靠性，增加品牌價值

• 實施最先進的工程流程，以更快地實現(xiàn)更好的結(jié)果

• 為試驗臺設(shè)計縮短和等效損傷時間計劃

成功的關(guān)鍵：

• 便攜式和多功能的Simcenter SCADAS硬件

• 能夠獲取和分析大量數(shù)據(jù)

• 實現(xiàn)一個易于使用，一致的軟件平臺，以滿足所有的采辦，分析和報告需求

實施成果：

• 創(chuàng)建了一個流線型的，高效的基于測試的耐久性工程過程

• 優(yōu)化了組件的耐用性，與其他性能屬性保持平衡

• 通過收集的數(shù)據(jù)獲得了更大的見解

External access to the case study:

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/customers/nissan-technical-centre-europe/59073/

Youtubevideo: https://www.youtube.com/watch?v=tqfvfTZwtJw