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某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计 |
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作者：湖南工业 李明 李源 陈斌 |
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摘 要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue 对该型商用车白车身进行S-N 全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。
关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化
前言
在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994 年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002 年，上海汇众汽车制造有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004 年，同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估，精确的有限元模型和可靠的材料疲劳数据是必需的，另外获得准确的实际运行工况下的道路输入载荷也非常关键。但由于客观条件的限制，国内这方面的研究非常有限，理论分析的多，对局部零部件研究的多，把车身整体作为研究对象的很少。
本文以某型商用车疲劳寿命仿真分析及优化提高为内容，研究中，首先对白车身结构几何进行网格划分；之后使用MSC.Patran/Nastran 对白车身结构进行静态仿真；然后导入MSC.Fatigue 对白车身结构进行疲劳寿命仿真。在分析的基础上采用结构优化设计的方法优化结构、合理选择材料等，提高白车身结构的静态力学性能与动态疲劳寿命。
1 疲劳寿命计算方法
疲劳寿命计算需要载荷的变化历程、结构的几何参数,以及有关的材料性能参数或曲线[4]。
图1为基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程。
图1 基于有限元分析结果的疲劳寿命分析
用有限元方法计算疲劳寿命通常分为两步：第一步是计算应力应变响应。第二步是结合材料性能参数，应用不同的疲劳损伤模型进行寿命计算。疲劳寿命的预测精度既依赖于应力应变响应的正确模拟，也依赖于预测模型的合理使用。
本文以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础，S-N方法用名义应力或局部应力预测实际构件的疲劳寿命，可以选择的应力参数有最大主应力、von-Mises 应力、Tresca 应力等。损伤累积计算可以使用常规的Palmgren-Miner线性法则，能进行Good-man 和Gerber 平均应力修正，也能进行考虑表面加工和表面处理影响的寿命计算。这一方法对于低应力高周疲劳寿命预测比较有效。特别是对于一些复杂的零部件或焊接件，直接使用实测的“零部件S-N”曲线通常能获得合理的寿命估计。
2 白车身有限元模型的建立
驾驶室白车身含有零件数目众多，并且常含有复杂的曲面，用网格准确描述其几何特征的难度较高，复杂的曲面会产生许多网格上的问题，如单元畸变、网格细小、网格失真等诸多问题。对数目繁多、曲面复杂的零部件划分高质量的网格工作量大、难度高。经网格质量检查后，不合格网格数为162 个，网格失效百分比为0.0%，整体上网格的形状较为理想，网格质量较高，为计算结果的准确性提供了一个必要条件。图2 为白车身整车的有限元模型。
图2 白车身整车的有限元模型
除此之外，白车身各个部件之间是通过焊接连接起来的，两部件在焊接处具有完全相同的自由度，为刚性连接，可用一维rigid 单元模拟表示。在整个白车身模型中焊点多达上万个，需利用rigid 面板在焊点位置逐个施加。并且焊点与焊点、焊点与约束之间很容易出现过约束的情况。图3 为焊点图。
图3 为白车身焊点全图
商用车静态典型工况为全扭曲工况模拟白车身两前轮同时着地时，主副驾驶员重力、卧铺人员重力以及车身自重对白车身产生静态弯曲作用的情况。
全扭曲工况模拟白车身两前轮均悬空时，主副驾驶座上相对反向的作用力对白车身产生静态全扭曲作用的情况。此工况下主驾驶座从下至上均布于两个连接座椅的部件上施加了1000N 的力，副驾驶座从上至下均布于两个连接座椅的部件上施加了1000N 的力。全扭曲工况两前轮均悬空，车身前端两个与前轮连接位置均无约束；后端两处约束表示车身与车架的连接，同样限制了X、Y、Z 三个方向的自由度，约束节点位置固定。图4 为车顶向下视图全扭曲工况载荷与约束在空间上的位置关系。经Nastran 分析后，主后杠仍为主要应力部件，最大应力达403MPa，不仅超过材料屈服极限，而且超过了材料抗拉极限。图5 为全扭曲静态分析的应变云图，最大变形为19.13mm。
图4 全扭曲工况载荷与约束空间上位置关系
图5 全扭曲静态分析应变云图
3 白车身有限元模型的疲劳分析
利用上述的加载静态仿真分析的有限元应力结果，设置载荷信息并关联有限元工况，导入MSC.Fatigue 中计算。图6 为全曲工况动态疲劳分析寿命云图，与车架的连接处的疲劳寿命达不到107 次的应力要求，图7 为寿命最差节点列表，可见最差节点在经受7.885E4 次应力循环时便产生疲劳破坏，不符合疲劳寿命的要求。需经过结构优化提高这些节点的疲劳寿命。 
图6 全扭曲工况动态疲劳分析寿命云图
图7 全扭曲工况动态疲劳分析最差寿命节点列表
在车身结构优化改进中，通常采用的方法有改变零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的位置、增加加强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板或采用拼焊板材料的方法。采用改变零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的位置要对原有的零部件进行改动，并有可能影响到全车整体的布局，在制造工艺上，有可能要调整模具，成本高，一般不宜采用；增加加强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板的方法，适用于形状并不十分复杂的零部件。使用拼焊板技术不用改变零部件的位置，根据车身不同部位强度的要求，合理使用一些不同强度的材料，不需要焊接加强筋，减轻车身的质量，减少车身零件的数量，是最优的结构优化方法。由于拼焊板可以一次成形，减少了大量冲压加工的设备和工序，缩减了模具的安装过程，简化车身制造过程。
经全扭曲工况动态疲劳分析后，白车身的最低疲劳寿命次数为10E+5.88，低于10E+7 次，需要进行疲劳寿命的优化。图8 列出了疲劳寿命最差的一些点，显示了疲劳寿命存在问题的区域。该疲劳寿命问题为局部问题，可对疲劳出现局部疲劳寿命问题的部件更换材料。
图8 静态结构优化后疲劳分析寿命云图
更换的材料为MANTEN_MSN，其弹性模型为E=2.034E+5，抗拉极限为σ b=600MPa，更换材料后，最差寿命点的疲劳寿命从原来的10E+5.8751 优化为3³10E+7。全扭曲工况的动态疲劳寿命得到了改善。
图9 全扭曲工况疲劳寿命材料优化
4 小结
本论文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue 对该型商用车白车身进行S-N 全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。完成了白车身动态疲劳寿命的优化。最终优化后，白车身各工况整车的疲劳寿命均修正至107 次循环以上。
5 参考文献
[1] 陈龙，周孔亢. 车辆驾驶室疲劳强度试验与计算，机械工程学报，1994，30（5）：23-29.
[2] 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，汽车工程，2001，23（6）：389-391.
[3] 王成龙，张治. 疲劳分析在汽车零部件设计中应用，上海汽车，2002，8：10-13.
[4] 彭为，靳晓雄. 基于有限元分析的轿车零件疲劳寿命预测，汽车工程，2004，26（4）：507-509.
[5] 高云凯. 汽车车身结构分析. 北京：北京理工大学出版社，2005.
[6] 谭继锦. 汽车结构有限元分析. 北京：清华大学出版社，2009.(end)
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(2/24/2011) |
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