车身疲劳耐久评估方法简介

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不知道为什么小时候的我经常遇到需要弄断铁丝却没有老虎钳也没有小李飞刀的直接考验我智商的高光时刻。虽然显然不能像非洲朋友那样牙咬手撕但我也不是没试过当然最后结局都是没成功。后来可能是因为吃了家里唯一荤菜鸡蛋脑细胞发育了发现反复折弯再反复折弯铁丝就会突然断了。至于铁丝为什么会突然断了我不知道反正就是断了。再后来改革开放了日子好了能吃上猪肉了脑子也发育的差不多了其中的缘由也就慢慢的明白了。

一根铁丝，想要徒手拉断或者瞬间折断那几乎是不可能的，但是如果你将它反复折弯很多次便可以把它折断。这其实就是铁丝被整疲劳了，发生了疲劳破坏。因为铁丝等金属件在生产加工过程中会出现各种缺陷，比如宏观的气孔、杂质、表面划痕以及微观的晶体位错、滑移带等。在外力作用下这些缺陷处会出现局部应力集中，当局部应力大于材料的屈服强度时便会萌生微裂纹，这些微裂纹在交变载荷作用下逐渐扩展，当扩展到一定程度时突然断裂。

铁丝的疲劳破坏过程中交变载荷水平较高，塑性应变起主导作用，疲劳寿命较短，属于应变疲劳或低周疲劳；当交变载荷水平较低，弹性应变起主导作用时，疲劳寿命较长，属于应力疲劳或高周疲劳。高周疲劳在日常生活中更加普遍，因其交变载荷小，没有明显的塑性变形等前兆，不容易提前发觉，所以具有更大的危险性。美国空军的一架F-15战斗机曾经在模拟空战时就出现了惊险的一幕，事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳破坏。

图1 F-15战机疲劳破坏（图片源自网络）

汽车作为我们日常生活中非常重要的代步工具，也是由大量金属件构成的。当汽车行驶在道路上时由于路面的不平整，车身结构会受到交变载荷作用，从而产生微裂纹并逐渐扩展。为了保证车身在整个设计生命周期内不发生疲劳破坏，我们需要对车身结构进行疲劳耐久性能评估。评估方法可分为试验法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，实际的项目开发过程中，两种方法相结合使用。在项目开发前期，样车试制前的产品设计阶段，通过CAE仿真分析识别出疲劳耐久性能危险部位并进行迭代优化，直到疲劳耐久性能合格。然后按照优化好的数据进行样车试制，之后进行样车台架试验及试车场道路试验。整个流程大致如下：

1、路谱载荷获取

CAE疲劳耐久仿真分析需要提供载荷信息输入，即汽车在道路上行驶时的受力情况。目前普遍做法是利用六分力仪采集轮心力，然后利用多体动力学软件建立整车动力学模型，将采集的轮心载荷分解到与底盘相连的车身硬点位置作为车身疲劳耐久仿真的载荷输入。通过这种方法得到的载荷信息称为实采路谱载荷。由于实采路谱载荷的采集必须等到试制车辆制造完成后才能进行，为了降低开发成本，缩短开发周期，越来越多的汽车公司开始使用3D虚拟路面技术采集载荷。采用激光扫描设备，对实际路面进行三维扫描和建模，得到虚拟数字路面模型[1]。然后通过多体动力学分析软件在数字路面上进行整车动力学分析，输出车身硬点的载荷作为车身疲劳耐久仿真的载荷输入。通过这种方法得到的载荷信息称为虚拟路谱载荷。

2、仿真模型建立

利用有限元软件建立车身有限元网格模型及相应的焊点、粘胶、螺栓等连接关系，对各个件赋予相应的材料属性并在与底盘相连的车身硬点位置施加载荷，得到车身疲劳耐久仿真模型。车身疲劳耐久问题一般都属于高周疲劳，目前普遍采用准静态法进行线性应力求解计算，作为后续疲劳耐久计算的输入。

图2 车身疲劳耐久仿真模型

3、疲劳仿真分析

通过疲劳仿真分析软件将上一步计算的应力结果和相应的疲劳材料属性相结合，导入路谱载荷并按特定的循环次数进行叠加计算，便可得到相应的疲劳损伤结果。损伤即载荷对材料造成的伤害，最常用的是Miner线性损伤累积法则。根据该损伤法则，零件在外界作用力循环作用下，零件吸收能量达到最大值产生疲劳破坏，若试样加载历史所产生的应力水平为σ1, σ2, …, σi，各应力水平下的疲劳寿命相应为N1,N2,...,Ni，各应力水平下的循环次数相应为n1,n2,...,ni。则Miner线性损伤表达式为：

式中：D为总的损伤量；l为变幅载荷的应力水平等级；ni为第i级载荷的循环次数；Ni为第i级载荷下的疲劳寿命[2]。

根据miner线性损伤累积法则，如果仿真结果显示某处的总损伤值D≥1，则表明该处将发生疲劳破坏，需要采取相应的优化方案进行优化。

4、台架疲劳试验

为了尽早发现问题并进行快速整改验证、减少道路试验失效风险和试验轮次，通常会在道路疲劳试验之前采用24通道整车道路振动模拟试验系统进行台架疲劳试验[3]。24通道在垂向、纵向及侧向上都可以很好地复现路面对整车的激励，可以对车身结构件进行疲劳耐久性能考核。相对于试车场道路疲劳试验，台架疲劳试验在室内进行，不易受外界因素影响，数据一致性及结果重复性好，能够较好地完善验证CAE分析[4]，而且能在较短的时间内完成试验，可为项目节省成本和时间，有效提高项目开发效率。

图3 24通道台架疲劳试验

5、道路疲劳试验

由于影响疲劳耐久性能的因素很多，仅依靠CAE仿真分析及台架疲劳试验难以把所有的因素都考虑在内，所以最终都要通过实际的道路试验来确保疲劳耐久性能满足使用要求。试验样车在试车场内特定的试验道路上，按照特定的试验规范驾驶来重现汽车在整个设计生命周期内的疲劳损伤。试车场用于疲劳耐久试验的主要道路有：比利时石块路、卵石路、鱼鳞坑路、搓板路、起伏路、摇摆路、破损路、方坑、标准坡道等，通过这些道路能够模拟客户实际使用中的典型路面工况，进而达到考核产品疲劳耐久性能的目的。试验规范的制定是通过采集客户的实际使用数据，然后结合试车场特定耐久性道路，通过调整在不同路面上的车速和循环次数，达到等效客户实际使用时的疲劳损伤。为了缩短试验周期，试车场疲劳耐久试验一般按照4~10倍的系数强化[5]，下图为道路疲劳试验的部分典型路面。

图4 道路疲劳试验典型路面（图片源自网络）

试验过程中若出现疲劳失效问题，则要根据具体失效情况进行具体分析及优化，必要时需要在优化的基础上再次进行道路试验，以消除潜在的疲劳失效风险。

参考文献

[1] 孙成智等.基于3D数字路面的整车耐久性能评估方法研究[J].汽车工程,2017.

[2] 王国军.MSC.Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 李张银.整车道路模拟与道路试验关联研究[J].汽车零部件,2013.

[4] 闫跃奇等.乘用车C柱内板开裂分析以及改进措施[J].汽车零部件,2016.

[5] 王继光.汽车耐久性试验[J].硅谷,2011.

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来源：CAE之家

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首次发布时间：2023-06-25