某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计

某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计

李明1李源2陈斌3

（1湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲，412008；2国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙，410072；3 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082）

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

Body-in-white Fatigue Analysis and Optimization Design of the

Commercial Vehicle

LI Ming1, LI Yuan2, CHEN Bin3

（1 School of Mechanical Engineering , Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412008, China; 2 College of Basic Education for Officers, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410072, China；3 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China）

Abstract:Based on the results of stress analysis, this paper took the effective way of the fatigue life estimating, used the professional durability fatigue life analysis system MSC. Fatigue, and the S-N life-cycle analysis of the certain type of commercial vehicle body-in-white finite element model, got the distribution of fatigue life and the fatigue life value of the danger points. Finally, by the structural optimization and material selection, writer improved the fatigue life of white body structure.

Keywords: B ody-in-white structure, FEM, Static analysis, Fatigue lifetime analysis; Optimization

0 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。