基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算

Fz /N
Fy /N
Fx /N
图 5 建立的整车多体动力学模型
8 000 6 000 4 000 2 000
0
3 000
2 000
1 000
0
4 000 2 000
0 -2 000 -4 000 -6 000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 t/s
A放大
22205号 单 元
图 10 白车身疲劳寿命分布及其局部放大图
对计算结果可输出前 5 个危险单元号和对应的
寿命结果，如表 1 所列。 由表 1 可知，最可能先发生
失效的部位是 22205 号单元， 其寿命值为该段计算
载荷谱还能重复 5.65×104 次， 折合成时间为 5.65×
104×40＝2.26×106 s。
本文针对上述问题， 利用六分力轮测试技术实 测 了 某 乘 用 车 在 试 车 场 的 道 路 载 荷 谱 [2]，以 此 数 据 作为输入驱动建立好的整车多刚体动力学仿真模 型，获取作用在白车身各连接点上的载荷谱，同时对 白车身进行有限元应力场分析。综合上述结果，调用 相应的疲劳损伤模型对白车身的疲劳寿命进行了计 算， 建立起了一套较为可行的且更符合真实工况的 车辆疲劳寿命分析技术流程。 —8—
本文中白车身的有限元应力场分析是在前后处 理平台 HyperMesh 和有限元求解器 MSC.Nastran 中 完成的， 这里只给出前半车身的 1/2 对称局部 CAD 模型（图 7）及其在上述连接点处所承受的垂向单位 载荷作用下的应力分布结果（图 8），此即疲劳计算 时所需的结构应力场。
2009年 第 5 期
表 1 前 5 个危险单元及其寿命
×104 次
危险单元号 22205 22206 22207 31541 31542
寿命 5.65 6.22 6.43 72.87 102.30
以上白车身疲劳寿命的计算结果可供试验和设 计人员参考，其更重要的作用是对改型前、后的车型 进行基于疲劳性能的优化对比分析， 以尽快获得改 型车型的寿命分布情况和优化后结构的疲劳性能。 该优化与基于静强度的优化方法相比更符合结构所 承受的真实工况。
图 6 右前纵梁与底盘连接点三向载荷谱
图 7 局部白车身 CAD 模型
—9—
·设计·计算·研究·
应 力 /MPa
3.6×10-2 3.2×10-2 2.8×10-2 2.4×10-2 2.0×10-2 1.6×10-2 1.2×10-2 8.0×10-3 4.0×10-3 0
图 8 垂向单位载荷作用下的白车身应力场
Fy /N
Fz /N
应力场 载荷谱
疲劳损伤 计算模型
疲劳结果
材料参数
图 4 结构件疲劳寿命计算Hale Waihona Puke Baidu程
3.1 整车多体动力学分析和载荷谱提取 对白车身的疲劳寿命分析需要提供作用在白车
身各连接点处的载荷谱，这里采用半实物方法在多体 动力学软件 MSC.ADMAS 平台上对该整车建立多体 动力学模型，如图 5 所示。 以实测获得的 4 个车轮的 六分力作为输入，驱动整车多体动力学模型运行一定 时间长度后，即可提取出白车身与底盘各连接点上相 应的力和力矩的时间历程。 图 6 为右前纵梁与底盘连 接点处的三向载荷谱， 即疲劳计算时所需的载荷谱。 需要说明的是， 由于整车多体动力学计算的限制，很 难 1 次完成实测的 1 720 s 时间长度的计算，同时为考 察各特征路面对车身结构疲劳的影响程度，将实测载 荷谱按各特征路面情况进行了分割，这里给出的是车 辆行驶于石块路面上所受到的载荷谱，共 40 s 长度。 3.2 白车身有限元应力场分析
图 1 安装了六分力轮的左前轮
2.2 测试结果 测试共布置了 24 个通道，通过数据采集器记录
并存储所有载荷谱信号数据。 图 3 为左前轮的六分 力信号，共 1 720 s 长度。
汽车技术
·设计·计算·研究·
3 白车身疲劳寿命计算
图 2 试验车行驶轨迹示意
一般结构件在承受准静态随机载荷输入下的疲 劳寿命计算流程如图 4 所示。由图 4 可见，输入包括 该结构件在单位载荷下的应力/应变场结果、承受的 载荷谱及材料疲劳性能参数， 即可调用相应的疲劳 损伤模型进行该构件疲劳寿命的计算， 计算结果将 给出该结构在所承受的载荷谱作用下发生失效的危 险部位和疲劳寿命的数值。
Key words：BIW,Fatigue life,RLD
1 前言
目前， 汽车结构疲劳越来越受到各大整车制造 企业的重视， 几乎每种新开发的车型都需考察其疲 劳耐久性能。 汽车企业对新车型疲劳寿命评估的传 统方法是利用实车在各道路试车场进行路试 [1]，该 方法最直接且最准确，但测试时间十分冗长，需耗费 巨大的人力与经费，同时即使发现问题也很难修改。 近 年 来 ，计 算 机 辅 助 工 程 （CAE） 分 析 技 术 在 静 态 、 碰 撞、振动噪声等领域均有较好的应用成果，但由于疲 劳耐久性分析需要综合有限元应力分析和动力学载 荷分析等专业技术，因而计算量非常大，且由于没有 真 实 的 道 路 载 荷 谱 （RLD） 作 为 计 算 输 入 而 使 计 算 的 准确性缺乏说服力。
，N=
1 D
（3）
式中，D 为总疲劳损伤；ni 为各应变水平下的循环次 数；N 为疲劳寿命。
基于式（3）并结合循环应力-应变曲线和材料 ε-
— 10 —
N 曲线即可计算承受随机载荷下的构件疲劳寿命[3]。
至此， 白车身疲劳寿命计算所需的结构单位载
荷应力场、加载点的载荷谱、材料的疲劳性能曲线等
3 个输入条件已获取， 在疲劳分析软件 nCode De-
4 结束语
在设计阶段对符合用户使用工况下的车辆疲劳 耐久性能进行分析优化， 可及时发现问题并加以改 进，能够大大提升车辆的品质，降低后期道路试验甚 至用户使用时发生失效而产生的保修成本和声誉损 失。本文以某型乘用车的白车身为研究对象，通过实 测获取了作用在车轮上的真实工况下的载荷谱，再 通过多体动力学计算分解得到作用在白车身上的载 荷谱，结合有限元分析的应力结果，即可对该结构进
3.3 白车身疲劳寿命计算 所要进行疲劳分析的模型中包含多种不同材料
牌号和不同厚度的板材， 这里用局部应变法 （ε-N 法）损伤计算模型对白车身进行疲劳寿命计算，图 9 为其中一种主要材料的应变-寿命曲线（ε-N 曲线）。
100
10-1
应变幅
10-2
ε-N 曲线
塑性线
10-3
弹性线
10-4 1
101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 寿命/次
2 某型乘用车试车场道路载荷谱采集
2.1 测试工况简介 试验用乘用车的 4 个车轮均安装六分力轮进行
轴头上的三向力 （Fx、Fy、Fz） 和三向力矩（Mx、My、 Mz）的测试，如图 1 所示。 车辆满载，在某试车场进 行道路载荷谱的采集，通过 GPS 信号测取的试验车 行驶轨迹如图 2 所示。 图 2 中包含了各种耐久性特 征路面（卵石路、石块路、搓板路等），通过测试过程 中标记的逻辑信号即可同步将所有通道的信号按不 同特征路面进行分割。
图 9 材料应变-寿命曲线
ε-N 法是广泛用于汽车结构件疲劳寿命计算的
方法，它能有效地计入缺口、焊缝、应力集中等现象
所产生的局部循环塑性变形效应， 该效应即循环应
力-应变曲线，其表达式为:
1/n′
εa
=
σa E
+
σa K′
（1）
式中，εa 为应变幅值；σa 为应力幅值；E 为弹性模量； K′为循环强度系数； n′为循环应变硬化指数。
汽车技术
·设计·计算·研究·
概念设计与 FE 仿真评估在行人腿部保护 车身设计中的应用
苗 强 1 高卫民 2 王大志 2 马美林 2 刘军勇 2 （1.同济大学；2.上海汽车集团公司技术中心）
【摘要】综合运用 mode FRONTIER 和 MADYMO 软件，以上海汽车集团公司自主研发车型为研究对象，对腿部 碰撞区域的接触刚度进行了优化设计，在满足 2003/102/EC 第一阶段法规要求的前提下 ，获 得 了 腿 部 碰 撞 区 域 所 需 的最小变形空间；结合有限元仿真分析评估该车型的行人腿部保护性能，并对车身设计进行了改进。 仿真结果表明， 改进后的车身能够满足 2003/102/EC 第一阶段法规的相关要求。
ε-N 法用幂函数形式 （Manson-Coffin 方程）表
达为:
εa
=
σf′ E
（2Ni）b+εf′（2Ni）c
（2）
式中，σf′为疲劳强度系数 ；εf′为疲劳延性系数 ；b 为 疲劳强度指数；c 为疲劳延性指数；Ni 为各应变水平 下的疲劳寿命。
Miner 线性损伤累积法则为:
Σl
D=
i=1
ni Ni
1×103 0
-1×103 -2×103 -3×103
2×103 1×103
0 -1×103 -2×103
1×103 5×102
0 -5×102 -1×103
0
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 t/s
图 3 采集到的左前轮六分力信号
Fx /N
主题词：白车身 疲劳寿命 道路载荷谱 中图分类号：U462.3+6 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2009）05－0008－03
Fatigue Calculation of BIW Based on the Measured Road Load Data
Zhu Tao,Song Jian,Li Liang （State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Conservation,Tsinghua University） 【Abstract】The road load data of a car in the proving ground is measured by the 6-Axis Wheel Load Measurement System,based on it and with the aid of many CAE methods,including FEA,MBD analysis and Fatigue analysis,the fatigue life distribution of the BIW of this car is calculated and analyzed under such measured RLD.And the integrated fatigue analysis flow,which combined testing according with real condition and virtual analysis,is presented.Such flow can also be used for the fatigue analysis of the chassis parts.
signLife 平台上即可对该局部白车身模型进行疲劳
计算，寿命分布结果如图 10 所示。 由图 10 可见，该
工况下的疲劳危险区域主要集中在减振器支座处，
在设计时对该部位的结构形式和加工中的工艺方法
应引起重视，避免其早期失效。
寿命/次
无数据 无限寿命 4.25×107 2.03×107 9.76×106 4.67×106 2.24×106 1.07×106 5.14×105 2.46×105 1.18×105 5.65×104 A
·设计·计算·研究·
基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算
朱涛宋健李亮
（清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室）
【摘要】通 过 六 分 力 轮 测 试 系 统 实 测 了 某 型 乘 用 车 在 试 车 场 运 行 的 载 荷 谱 数 据 ， 以 此 作 为 输 入 ， 并 综 合 有 限 元 分析、多体动力学分析和疲劳分析等多种 CAE 手段，对该乘用车白车身在实测载荷谱作用下的疲劳寿命分布进行了 计算分析。 同时，给出了符合真实工况的试验与虚拟相结合的白车身一体化疲劳分析流程，该流程同样适用于底盘 零部件的疲劳分析。
1×104 5×103
0 -5×103 -1×104
2×103 0
-2×103 -4×103 -6×103
1.5×104 1×104 5×103 0
-5×103 0
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 t/s
Mz /N·m
My /N·m
Mx /N·m