汽车疲劳耐久性工程解决方案

汽车疲劳耐久性工程解决方案

英国nCode国际有限公司林晓斌

近年来，随着CAD/CAE技术突飞猛进，靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进汽车耐久性的方法成本高、周期长，已经逐步被虚拟耐久性设计理念取代。随着汽车行业内的竞争不断加剧，汽车制造商无不面临着如下情况：满足用户日益提高的安全性及可靠性要求的同时做到节省成本。其中，汽车的疲劳耐久性设计就是必须面对的重要课题之一。

疲劳耐久性工程

长期以来，汽车的耐久性主要靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进，这种设计思路成本高、周期长。近一二十年来，CAD/CAE技术突飞猛进，虚拟耐久性设计理念已经在一些著名的汽车公司得到了广泛应用。一个完整的疲劳耐久性解决方案通常包括如下步骤（如图1）：根据用户用途建立寿命设计目标；采集用户使用环境和试车场载荷数据；验证分析处理实测数据；创建零构件几何模型；求取零构件间所传递的载荷；获取材料的疲劳寿命性能；预估零构件的疲劳寿命；台架模拟试验；试车场耐久性试验。

实际寿命GlyphWorks

图1 疲劳耐久性解决方案流程

ICE-flow 的功能

作为著名的疲劳耐久性技术服务公司之一的英国恩科（nCode ）国际有限公司开发了一整套用于汽车耐久性设计、分析、试验及管理的硬件和软件工具——ICE-flow 系列产品。包括：数据采集器Somat eDAQ 、数据分析处理及实验疲劳软件GlyphWorks 、CAE 疲劳分析软件 DesignLife 和耐久性数据管理软件系统Library 。ICE-flow 集工程数据采集分析处理、疲劳寿命分析模拟、实验室台架加速和远程数据传递及管理于一身，是进行一体化抗疲劳设计必备的一个分析工具，也是进行异地协同设计的有效工具。ICE-flow 系列产品如图2所示，以下对各功能分别进行介绍。

ICE-flow 系列产品

模拟

管理Library

图2 ICE-flow 系列产品

1、数据采集

道路载荷谱采集是疲劳耐久性设计的基础，我们需要调查用户的使用环境和用途，需要实测数据在实验室台架上做道路模拟试验，也需要为多体动力学分析、有限元分析以及疲劳寿命分析提供输入数据。

Somat eDAQ由基础层、各种不同功能的扩展层以及智能型调理模块组成。基础层是一个具有高速运算能力的处理器；功能扩展层包括电桥板、同步高电平板、同步低电平板、带隔离和不带隔离的热电偶板、数字I/O板以及高平板。系统可直接接入工程中常用的各类传感器，用来测量如应变、加速度、温度、车轮六分力、载荷、压力、位移、数字脉冲、数据总线及GPS等信号。

Somat eDAQ系统的测试通道数可灵活配置，单套系统的模拟通道数最高可达96个，数字信号通道可达10～100个。各套系统也可以联合组建成一个分布式同步测试网络，以满足大通道数的数据采集要求。系统采用TCP/IP通信协议，可实现与计算机的有线或无线连接进行远程测试控制。系统带有大容量的数据存储卡，可脱离计算机独立运行，特别适合于移动测试。系统可以对信号进行在线计算分析，记录时域、频域或雨流循环直方图数据格式，能进行触发等不同模式的条件数据采集，以适合于长时间的用户环境调查和寿命监控等场合。另外，系统非常坚固，具有良好的抗震防尘和防水溅功能，在恶劣的工作环境下能够保持长时间的稳定工作。

Somat eDAQ系统已经广泛应用于汽车的道路载荷谱数据采集、实验式台架试验、用户使用状况调查以及汽车安全性、刹车系统、排放系统、发动机及变速箱等测试。

2、数据处理和实验疲劳分析

数据采集器所记录的原始数据通常需要进行分析处理才能变成工程中有用的信息。原始数据的常规处理通常包括：信号的显示、编辑、算术及三角运算；频谱分析；数据格式转换；单位转换、元数据处理及报告等。对于疲劳耐久性而言，需要鉴别出原始数据中所包含的异常信号并修正这些信号，通过不同的方法对数据的有效性进行检验。需要将时域数据进行付里叶变换，获得信号中的频率内容，或者进行雨流计数得出数据中包含的循环频次信息。在零部件台架试验部门，需要将采集的数据根据疲劳等效原理转换成一个加速试验所需的输入数据。而在CAE分析部门，则需要从数据中提取出有限元分析、多体动力学分析和疲劳寿命分析所需要的时间域有效载荷谱。另外，从实测量中直接预测疲劳寿命也是耐久性分析中的一项内容。ICE-flow GlyphWorks 就是英国nCode公司为了满足上述工程需要而开发的新一代数据处理和疲劳分析工程软件。

GlyphWorks具有流程式架构、功能强大、运行高效、与各种数据格式无缝兼容、可方便地处理分析大通道数海量数据等突出优点。软件由基础模块和一些功能模块组成，这些模块包括：时域处理、频域分析、异常信号检验、疲劳分析、时域疲劳损伤编辑、频域加速谱合成、疲劳裂纹扩展以及开放Glyph和超级Glyph。GlyphWorks以交互的方式简单直观地创建一个有着数以百计的处理及分流步骤的流程。企业自己开发的程序也能够通过开放Glyph接入分析流程实现二次开发。流程可以加密封装以实现企业标准的执行。另外，GlyphWorks能将处理分析和报告连成一体，从原始数据到最后的分析报告可一步完成。

GlyphWorks软件已经在汽车行业得到了广泛的应用。无论是道路载荷谱处理分析、用户关联试车方案制定、台架加速试验谱编制，还是疲劳寿命分析，甚至在车辆平顺性，振动噪声分析中都发挥出了显著的作用。

3、CAE虚拟疲劳分析

传统的疲劳分析是基于一些工程实测量、针对零部件中的一些关键位置进行的。随着CAD和CAE技术的迅速发展，现在也已经能够对整个零部件进行疲劳分析，这使得在设计的早期就能够对虚拟零部件进行疲劳寿命分析与优化，以避免设计的盲目性，提高实物样机在验证试验中第一次通过的可能性，从而缩短产品的开发周期。

CAE疲劳分析的基本原理是：根据有限元分析中所获得的应力应变结果，再结合材料的疲劳寿命性能，然后，应用疲劳理论计算出零部件的疲劳寿命分布。零部件中所受的载荷，应该对应于实际工况，理想的应该是从实际测试中所获得的载荷数据。通过对各种可能影响寿命的参量进行敏感性分析，比如选择不同的材料、比较不同的表面加工处理、不同的应力集中以及它们之间不同的组合，以获得最佳的、以寿命为设计目标的设计方案。

ICE-flow DesignLife是nCode开发的新一代CAE疲劳分析软件，它继承了已经得到广泛应用的FE-Fatigue软件的功能特点，并且在分析流程的创建、各种参数的定义、材料的选择、和有限元分析软件和前后处理软件的连接以及和试验分析的无缝整合等多个方面得到了极大的改进，使得一个复杂的疲劳分析优化变得容易和直观。图3为利用DesignLife预测的汽车某部件疲劳寿命分布图。

图3 DesignLife预测的某汽车部件疲劳寿命分布