基于虚拟迭代的轿车车身耐久性虚拟试验方法

吴泽勋+张林波+孟凡亮+陈玉发

摘要： 针对轿车车身开发过程中传统耐久性试验周期长、费用高且不容易在开发前期暴露风险的问题，采用虚拟试验方法，基于实测道路载荷谱并结合多体动力学及有限元仿真技术进行车身疲劳寿命预测.仿真结果与实测应变片台架试验结果一致性很好.该方法能够快速反映风险，大幅缩短开发周期、降低费用.

关键词： 汽车； 车身； 虚拟迭代； 载荷谱； 相对损伤； 疲劳预测； 台架试验； 优化

中图分类号： U463.8； TB115.1文献标志码： B

0引言

疲劳耐久性作为汽车性能开发过程中最重要的性能之一，几乎每种新开发的车型都需要对其考察.汽车企业对新车型疲劳寿命评估的传统方法都是利用实车在道路试车场进行路试.该方法虽然是最直接且最准确的，但测试时间十分冗长且人力和经费耗费巨大，即使发现问题往往也很难修改.因此，基于虚拟试验的疲劳一体化仿真手段越来越引起汽车厂家的重视.

如何获取车身各连接点的真实载荷谱是车身虚拟疲劳分析过程中的关键步骤之一.国内外同行业大多数采用约束车身的方法生成载荷谱，往往忽略车身惯性的影响[12]，导致车身连接点的载荷精度不高，模拟值与试验值趋势接近，但相对损伤对比往往相关10倍以上，严重影响车身疲劳分析的精度，尤其是连接点附近的焊点疲劳寿命值.福特公司使用固定车身加载驱动力进行载荷分解，但同时指出，若要得到较好的相关性结果，需要选择合适的通道和工况.[3]

1车身疲劳分析流程

针对上述问题，采用虚拟试验迭代驱动轿车车身进行耐久性分析，其中多体模型的虚拟迭代技术是实现这一目标的有效方法.以在路试场测量的轮心加速度和车辆内力载荷为输入，以Adams所创建的多体模型为载体，通过虚拟迭代的方法反求得到外部驱动载荷，并驱动多体模型仿真得到各部件的载荷谱.

结合连接点的载荷谱，调用相应的疲劳损伤模型对白车身的疲劳寿命进行计算并与试验对比，与设计同步优化改进，从而建立一套较可行的、更符合真实工况的车身疲劳集成优化分析流程，见图1.

图 1车身疲劳集成优化流程

Fig.1Integrated optimization process of car body fatigue

2虚拟迭代和载荷谱提取

为保证汽车设计满足耐久性要求，在车辆开发初期进行试验场道路载荷谱采集，为后续的载荷分解和疲劳仿真提供必备的输入.在采集道路谱之前，要制定合理的采集计划，根据测试目的布置不同的采集通道.除在关键位置安装加速度、位移等传感器外，车辆的4个车轮均安装六分力仪，进行轴头上的3向力（Fx，Fy和Fz）和3向力矩（Mx，My和Mz）的测试，某路面下的Fz载荷谱测试数据见图2.图 2Fz载荷谱测试数据

Fig.2Test data of vertical load spectrum of Fz

采用与试验台架迭代方法近似的虚拟迭代仿真方法，运用FEMFAT VI迭代轮心的位移，结合其他5个方向轮心六分力载荷驱动整车动力模型.整车多体动力学模型见图3.

图 3整车多体动力学模型

Fig.3Dynamics model of whole vehicle

模型中各参数均来自于试验测试，包括整车轴荷参数、硬点坐标、车轮定位参数、弹性阻尼元件特性和零部件质量等.

为避免由于模型简化处理带来的多体动力学模型在计算时发生翻转或不收敛的问题，采用实测弹簧的位移作为期望信号，轮心的加速度、减振器的轴向力作为监测信号，迭代计算轮心的垂向位移，以此代替六分力仪测得的垂向力，并与其他5个六分力数据作为输入进行整车载荷分解，载荷分解过程见图4.[4]

图 4载荷分解过程

Fig.4Load decomposition process

通过虚拟迭代计算得到的虚拟信号与试验测试信号的对比分析以确定分析的准确度.损伤值是评价疲劳寿命的一个指标.通常提到的“损伤值”是指“绝对损伤值”.如果对同一个部件在2种不同载荷下的疲劳进行分析，为评估2种载荷对部件疲劳性能的影响因素，可引入“相对损伤值”指标.该方法被引入至此只是为了进行相对比较：如果相对损伤值为1，说明2种载荷对疲劳的影响相同，即分析精度较高.

各通道的相对损伤对比见图5，其中，期望通道为4个车轮轴的加速度通道和弹簧位移通道，监测通道为4个减振器通道.期望通道和监测通道与试验测试值的相对损伤值都分布在1附近，对比精度非常高.载荷谱分解的精度直接决定疲劳分析精度.

图 5关键通道的相对损伤对比

Fig.5Comparison of relative damage of key channels

减振器载荷实测与分析结果时域对比见图6，模拟与试验信号几乎重叠，且相对损伤为1.1，可见分析与试验对比具有良好的一致性，模型精度很高，载荷谱可以满足疲劳分析要求.[3，5]

a）减振器导杆的轴向实测与分析载荷时域对比

b）时域对比的局部放大

图 6减振器实测载荷与分析载荷对比

Fig.6Comparison of measured loads and simulated

loads of vibration absorber

3车身疲劳分析

针对某轿车车身疲劳分析，需要先建立内饰车身模型，见图7.该模型主要包含车身以及用质量点简化的附件模型.通过惯性释放的分析方法得出单位力作用下节点的应力和焊点力.结合所分解的车身和悬架连接点的载荷谱，通过线性叠加的方法计算车身钣金和焊点在试验场载荷作用下的应力和力响应历程.[67]endprint

图 7内饰车身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲劳仿真方法，可以在设计前期预测高损伤的风险位置，见图8，可知后轮罩与后地板搭接的焊点处损伤值为2.3，超过目标值1.

图 8后轮罩与后地板搭接的焊点

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4试验相关性及其优化改进

为验证疲劳分析结果的可信度，在车身减振器座处粘贴应变片进行试验，见图9.

图 9减振器座贴片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特别对比车身后减振器座上的应变片的应变时间历程，见图10.结果显示，仿真得到的应变时间历程与实测值相近程度较高，且相对损伤值为1.1，因此该分析精度满足项目支持需求.图 10减振器座贴片仿真与试验结果对比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

设计早期同步的台架试验结果表明，后轮罩与后地板搭接的焊点处即分析预测的高风险位置，在试验接近尾声阶段出现焊点开裂，见图11，进一步验证分析结果与台架试验结果相关性程度较高.

图 11台架试验开裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同样的分析流程，针对高损伤处进行疲劳优化改进，优化局部焊点的布置，提高局部结构的抗弯能力.重新校核疲劳寿命后发现，风险位置的损伤降低到0.000 1，远低于目标值1，基本可以排除结构耐久路试风险.[810]

5结论

本文以某车型车身疲劳优化改进为例，将耐久性设计与疲劳仿真相结合，具有以下优点：

1）为提高载荷精度，采用虚拟迭代的方法，有效解决车身惯性问题，提高载荷分解的精度，并结合疲劳分析软件计算车身的疲劳寿命，预测风险位置并进行合理改进，有效解决前期台架试验开裂问题，大大缩短研发周期.

2）利用虚拟试验方法的车身疲劳优化流程能够有效解决试验问题，为后期车型的开发设计提供有价值的参考.参考文献：

[1]吴利辉， 陈昌明. 基于虚拟样机的白车身疲劳寿命研究[J]. 北京汽车， 2007（3）： 3033.

WU Lihui.CHEN Changming. Study on fatigue life of body in white based on virtual prototype[J]. Beijing Automotive Eng， 2007（3）： 3033.

[2]ZHANG Linbo， LIU Hongling， ZHANG Hongtao， et al. Component load predication from wheel force transducer measurements[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010737.

[3]TEEBE J C， CHIDAMBARAM V， KLINE J T， et al. Chassis loads prediction using measurements as input to an unconstrained multibody dynamics model[EB/OL].（20060403）[20131015].http：//papers.sae.org/2006010992.

[4]WIRJE A， CARLSSON K. Modeling and simulation of peak load events using AdamsDriving over a curb and skid against a curb[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010733.

[5]徐刚， 周鋐， 陈栋华， 等. 基于虚拟试验台的疲劳寿命预测研究[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2009， 37（1）： 97100.

XU Gang， ZHOU Hong， CHEN Donghua， et al. Virtual test rigbased study on fatigue life prediction[J]. J Tongji Unive： Nat Sci， 2009， 37（1）： 97100.

[6]ZHANG Y， XIAO P， PALMER T， et al. Vehicle chassis/suspension dynamics analysis： finite element model vs rigid body model[EB/OL].（19980223）[20131015].http：//papers.sae.org/980900.

[7]PUCHNER K， GAIER C， DANNBAUER H. Combining FEMoptimization and durability analysis to reach lower levels of component weight[EB/OL].（20040927）[20131015].http：//papers.sae.org/2004320085.

[8]VIDAL F A C， PALMA E. Fatigue damage on vehicles body shell： a correlation between durability and torsion tests[EB/OL].（20010305）[20131015].http：//papers.sae.org/2001011100.

[9]肖志金， 朱思洪. 基于虚拟样机技术的轻型载货汽车车架疲劳寿命预测方法[J]. 机械设计， 2010， 27（1）： 5963.

XIAO Zhijin， ZHU Sihong. Prediction method of fatigue lifespan of lightduty truck frame based on virtual prototype technology[J]. J Machine Des， 2010， 27（1）： 5963.

[10]da CRUZ J， do ESPRITO SANTO I， de OLIVEIRA A. A semianalytical method to generate load cases for CAE durability using virtual vehicle prototypes[EB/OL].（20031118）[20131015].http：//papers.sae.org/2003013667.

（编辑 武晓英）endprint

图 7内饰车身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲劳仿真方法，可以在设计前期预测高损伤的风险位置，见图8，可知后轮罩与后地板搭接的焊点处损伤值为2.3，超过目标值1.

图 8后轮罩与后地板搭接的焊点

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4试验相关性及其优化改进

为验证疲劳分析结果的可信度，在车身减振器座处粘贴应变片进行试验，见图9.

图 9减振器座贴片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特别对比车身后减振器座上的应变片的应变时间历程，见图10.结果显示，仿真得到的应变时间历程与实测值相近程度较高，且相对损伤值为1.1，因此该分析精度满足项目支持需求.图 10减振器座贴片仿真与试验结果对比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

设计早期同步的台架试验结果表明，后轮罩与后地板搭接的焊点处即分析预测的高风险位置，在试验接近尾声阶段出现焊点开裂，见图11，进一步验证分析结果与台架试验结果相关性程度较高.

图 11台架试验开裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同样的分析流程，针对高损伤处进行疲劳优化改进，优化局部焊点的布置，提高局部结构的抗弯能力.重新校核疲劳寿命后发现，风险位置的损伤降低到0.000 1，远低于目标值1，基本可以排除结构耐久路试风险.[810]

5结论

本文以某车型车身疲劳优化改进为例，将耐久性设计与疲劳仿真相结合，具有以下优点：

1）为提高载荷精度，采用虚拟迭代的方法，有效解决车身惯性问题，提高载荷分解的精度，并结合疲劳分析软件计算车身的疲劳寿命，预测风险位置并进行合理改进，有效解决前期台架试验开裂问题，大大缩短研发周期.

2）利用虚拟试验方法的车身疲劳优化流程能够有效解决试验问题，为后期车型的开发设计提供有价值的参考.参考文献：

[1]吴利辉， 陈昌明. 基于虚拟样机的白车身疲劳寿命研究[J]. 北京汽车， 2007（3）： 3033.

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[5]徐刚， 周鋐， 陈栋华， 等. 基于虚拟试验台的疲劳寿命预测研究[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2009， 37（1）： 97100.

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[9]肖志金， 朱思洪. 基于虚拟样机技术的轻型载货汽车车架疲劳寿命预测方法[J]. 机械设计， 2010， 27（1）： 5963.

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[10]da CRUZ J， do ESPRITO SANTO I， de OLIVEIRA A. A semianalytical method to generate load cases for CAE durability using virtual vehicle prototypes[EB/OL].（20031118）[20131015].http：//papers.sae.org/2003013667.

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图 7内饰车身模型

Fig.7Trimmed body model

利用本文的疲劳仿真方法，可以在设计前期预测高损伤的风险位置，见图8，可知后轮罩与后地板搭接的焊点处损伤值为2.3，超过目标值1.

图 8后轮罩与后地板搭接的焊点

Fig.8Weld spot of joint of rear wheel with rear floor

4试验相关性及其优化改进

为验证疲劳分析结果的可信度，在车身减振器座处粘贴应变片进行试验，见图9.

图 9减振器座贴片位置

Fig.9Strain gauge position at vibration absorber base

特别对比车身后减振器座上的应变片的应变时间历程，见图10.结果显示，仿真得到的应变时间历程与实测值相近程度较高，且相对损伤值为1.1，因此该分析精度满足项目支持需求.图 10减振器座贴片仿真与试验结果对比

Fig.10Result comparison of simulation and test of

vibration absorber base

设计早期同步的台架试验结果表明，后轮罩与后地板搭接的焊点处即分析预测的高风险位置，在试验接近尾声阶段出现焊点开裂，见图11，进一步验证分析结果与台架试验结果相关性程度较高.

图 11台架试验开裂照片

Fig.11Photo of crack in bench test利用同样的分析流程，针对高损伤处进行疲劳优化改进，优化局部焊点的布置，提高局部结构的抗弯能力.重新校核疲劳寿命后发现，风险位置的损伤降低到0.000 1，远低于目标值1，基本可以排除结构耐久路试风险.[810]

5结论

本文以某车型车身疲劳优化改进为例，将耐久性设计与疲劳仿真相结合，具有以下优点：

1）为提高载荷精度，采用虚拟迭代的方法，有效解决车身惯性问题，提高载荷分解的精度，并结合疲劳分析软件计算车身的疲劳寿命，预测风险位置并进行合理改进，有效解决前期台架试验开裂问题，大大缩短研发周期.

2）利用虚拟试验方法的车身疲劳优化流程能够有效解决试验问题，为后期车型的开发设计提供有价值的参考.参考文献：

[1]吴利辉， 陈昌明. 基于虚拟样机的白车身疲劳寿命研究[J]. 北京汽车， 2007（3）： 3033.

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[3]TEEBE J C， CHIDAMBARAM V， KLINE J T， et al. Chassis loads prediction using measurements as input to an unconstrained multibody dynamics model[EB/OL].（20060403）[20131015].http：//papers.sae.org/2006010992.

[4]WIRJE A， CARLSSON K. Modeling and simulation of peak load events using AdamsDriving over a curb and skid against a curb[EB/OL].（20110412）[20131015].http：//papers.sae.org/2011010733.

[5]徐刚， 周鋐， 陈栋华， 等. 基于虚拟试验台的疲劳寿命预测研究[J]. 同济大学学报： 自然科学版， 2009， 37（1）： 97100.

XU Gang， ZHOU Hong， CHEN Donghua， et al. Virtual test rigbased study on fatigue life prediction[J]. J Tongji Unive： Nat Sci， 2009， 37（1）： 97100.

[6]ZHANG Y， XIAO P， PALMER T， et al. Vehicle chassis/suspension dynamics analysis： finite element model vs rigid body model[EB/OL].（19980223）[20131015].http：//papers.sae.org/980900.

[7]PUCHNER K， GAIER C， DANNBAUER H. Combining FEMoptimization and durability analysis to reach lower levels of component weight[EB/OL].（20040927）[20131015].http：//papers.sae.org/2004320085.

[8]VIDAL F A C， PALMA E. Fatigue damage on vehicles body shell： a correlation between durability and torsion tests[EB/OL].（20010305）[20131015].http：//papers.sae.org/2001011100.

[9]肖志金， 朱思洪. 基于虚拟样机技术的轻型载货汽车车架疲劳寿命预测方法[J]. 机械设计， 2010， 27（1）： 5963.

XIAO Zhijin， ZHU Sihong. Prediction method of fatigue lifespan of lightduty truck frame based on virtual prototype technology[J]. J Machine Des， 2010， 27（1）： 5963.

[10]da CRUZ J， do ESPRITO SANTO I， de OLIVEIRA A. A semianalytical method to generate load cases for CAE durability using virtual vehicle prototypes[EB/OL].（20031118）[20131015].http：//papers.sae.org/2003013667.

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