疲劳分析技术在商用车驾驶室衍生开发中的应用

张瑞峰，宋旭建

(江铃重型汽车有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

近年来，重型商用车市场有了长足的发展，不同的使用场景对车辆性能提出了越来越高的要求。商用车驾驶室是车辆的重要组成部分，是司乘人员工作和生活的区域，其结构直接关系到工作效率、人员的安全和健康，因此驾驶室研发变得越发重要。结合平台通用化、成本控制等因素，驾驶室研发主要集中在基于成熟设计的衍生开发，包括空间尺寸优化和结构轻量化设计等。与此同时，国内大多商用车主机厂的驾驶室衍生开发设计验证还主要依赖于汽车试验场内的实车道路试验，导致研发周期长、研发成本高。疲劳分析技术在商用车驾驶室衍生开发中的应用，能够有效解决上述问题。采用原型驾驶室开发项目前期采集的路谱数据作为疲劳分析的输入，通过疲劳计算确保驾驶室衍生开发的结构寿命满足要求，有效保证结构的耐久性能，代替传统的实车道路试验验证，可以快速支持性能开发，从而大幅缩短研发周期和节约研发成本，提升企业的竞争力。

1 疲劳分析技术

近年来，随着计算机性能的大幅提升以及CAE商用软件的普及应用，CAE技术在各行业研发体系中所占地位越发重要。疲劳分析技术是一门结合路谱数据采集、多体动力学载荷分解和有限元仿真的专业工程技术，被广泛应用于汽车及机械行业中的耐久性能开发工作。

1.1 路谱采集

路谱采集是车辆疲劳分析计算的必备前提，通常按照整车耐久测试规范对试验场典型路面如搓板路、比利时路等进行采集，获得整车或系统部件在耐久试验过程中的载荷历程。试验场典型路面搓板路、比利时路分别如图1、图2所示。

图1 搓板路 图2 比利时路

路谱采集通常是指车辆试验过程中对关键部件的信号包括加速度、位移、应变及运行状态信号(速度)等数据进行采集。采集的数据通常不能作为直接输入进行疲劳分析，需要先进行载荷分解得到关键结构的载荷作为疲劳载荷输入。

1.2 载荷分解

根据前期测试得到的底盘参数，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重量等，利用多体动力学仿真软件ADAMS建立整车多体动力学模型。

载荷虚拟迭代原理简述如下：

将整个多体模型看做一个系统，可用一个传递函数表示为：

F(s)=y(s)/u(s).

其中：y(s)、u(s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。

则利用逆函数(F-1)可以由输出反求得到输入：

u0=F-1ym.

其中：u0为初始的驱动载荷；ym为试验采集得到的路谱。

将u0施加给多体模型，计算得到所有输出通道响应，包括迭代信号(记为y0)。将y0与ym比较，如果满足条件，即相对损伤比在0.5～2范围内，u0就是最终所需驱动载荷，可以用于获得疲劳分析所需的连接点内力载荷；如果不满足条件，则需要进行第1次迭代，通过下式计算得到u1：

u1=u0+F-1(ym-y0).

然后将u1施加给多体模型，得到第1次迭代输出响应y1，将y1与ym比较，如果满足上述条件，则迭代结束。如不满足则需要进行第二次迭代。以此类推，可以通过下式计算，得到第n次迭代后的驱动载荷un：

un=un-1+F-1(ym-yn-1).

将满足上述判定条件得到的最终驱动载荷un施加给多体模型，便可得到关键部件的疲劳载荷。

1.3 疲劳分析

构件的疲劳是个复杂的过程，受多种因素的影响，要精确地预估构件的疲劳寿命，需要选择合适的模型，采用CAE技术可以更快更精确地预估出构件的疲劳寿命分布，疲劳分析流程如图3所示。

图3 疲劳分析流程

通过有限元仿真软件Nastran得到关注部件在单位载荷下的应力场分布，应用疲劳分析软件Femfat结合部件材料的S-N曲线及载荷分解得到的疲劳载荷输入，运用Miner线性累积损伤累积准则，计算得到关注部件的疲劳寿命分布。

Miner线性累积损伤准则表示如下：

其中：D为结构损伤值；ni为第i个应力幅水平下的循环数；Ni,f为第i个应力幅水平下的材料疲劳循环数；ni/Ni,f表示对应应力幅水平下的材料疲劳循环比。当D=1时，零件累积的损伤到达极限，试件理论上发生疲劳破坏。由于Miner准则形式简单，并且在很多情况下与实验结果有较高的符合度，所以是目前较为适用的疲劳寿命(到裂纹出现的疲劳)预测方法。

2 疲劳分析技术的应用

现就疲劳分析技术在国内某6x4T车型驾驶室衍生开发项目上的应用进行说明。项目要求对已开发完成的驾驶室进行空间尺寸调整，保持驾驶室高度不变，宽度由原设计2.3 m增加到2.5 m，同时对驾驶室后围及顶盖进行轻量化设计。

2.1 路谱采集

在驾驶室4个悬置安装点处分别布置加速度及位移传感器，以右后驾驶室悬置为例进行说明，加速度及位移传感器布置安装分别如图4、图5所示。

图4 加速度传感器安装位置 图5 位移传感器安装位置

按照实车耐久试验规范进行路谱采集，传感器信息汇总及路谱采集工况分别如表1、表2所示。

表1 传感器信息汇总

表2 路谱采集工况

2.2 载荷分解

根据项目前期输入的硬点坐标、部件质量、弹性元件参数信息，应用多体分析软件ADAMS，建立驾驶室-悬置-车架动力学模型，进行静平衡调试，检查模型装配的正确性，将迭代所需的通道参数进行归零设置(用于与测试数据对比)，驾驶室多体动力学模型如图6所示。

图6 驾驶室多体动力学模型

应用Femfat_lab软件进行疲劳载荷迭代，虚拟迭代通道信息统计如下：

输入通道7个，分别为4个垂向位移激励、2个侧向位移激励、1个纵向位移激励。

输出通道16个，分别为4个驾驶室悬置垂向位移响应、12个驾驶室加速度响应。

以悬置位移和驾驶室上悬置安装点处的加速度为迭代目标，经过7次迭代后的各通道相对损伤比如图7所示。由图7可知，相对损伤比在一个较合理的范围内(0.5～2)，满足精度判定要求。

图7 各通道相对损伤比

以左后悬置位移迭代结果为例进行说明，实车实测数据与仿真迭代结果对比如图8所示。

图8 位移迭代结果

随意截取位移迭代结果25 s～32 s段进行局部放大，如图9所示，两组数据基本完全对应，重合度非常高，满足精度要求。

图9 位移迭代结果局部放大

将经过7次迭代满足精度要求的驱动载荷,施加到驾驶室多体动力学模型，进行动力学仿真计算，进而得到驾驶室悬置点处的疲劳载荷。

2.3 疲劳分析

本文是在驾驶室CATIA三维模型的基础上，利用有限元前处理软件HyperMesh建立全内饰驾驶室有限元模型，应用Nastran求解器进行线性静力分析，使用惯性释放方法求解结构的应力场分布。模型各钣金件采用2D壳单元模拟；焊点建模采用RBE3-BEAM-RBE3，疲劳计算模型中焊点采用BEAM单元，由疲劳软件Femfat根据模型中焊点属性文件自动识别，驾驶室有限元模型如图10所示。

图10 驾驶室有限元模型

计算疲劳S-N曲线由疲劳软件根据材料的抗拉强度和屈服强度进行拟合，将得到的单位载荷应力场分布、材料S-N曲线、驾驶室疲劳载荷导入求解器进行计算，得到驾驶室的疲劳寿命分布，如图11所示。

从图11可知：衍生开发的新驾驶室损伤最大区域为A柱下段折弯区域，损伤达到0.12，低于目标损伤值1；同时驾驶室悬置安装点、门框等高风险区域损伤水平与原状态相当，满足驾驶室耐久性能要求。

图11 驾驶室疲劳寿命分析结果

基于原型驾驶室开发成功的经验和在市场上的表现，通过运用疲劳分析技术计算，结果远远低于目标损伤值，综合评估认为风险较低可控，可以通过小批量特定工况市场验证来替代试验场疲劳耐久验证。后期通过持续跟踪，该新开发的驾驶室未出现任何疲劳失效故障。对于驾驶室衍生开发，采用疲劳分析技术与传统道路验证方法相比，在数据设计阶段可及时识别和规避结构设计风险，为后续验证提供高的信心度，有效代替传统的实车验证试验，从而节约研发成本，具有很高的应用价值。

3 结束语

本文提出了一种基于多体动力学和有限元法联合仿真的商用车驾驶室疲劳分析技术方案。在商用车驾驶室衍生开发过程中，通过采集驾驶室耐久试验路谱信号，运用多体动力学模型进行迭代提取驾驶室悬置安装点的疲劳载荷历程；采用有限元法分析单位载荷的应力场分布；运用S-N(应力-寿命)方法计算得到驾驶室的疲劳寿命分布，对驾驶室不满足要求的区域进行优化和加强。分析结果表明：疲劳分析技术在商用车驾驶室衍生开发中的应用能够有效保证结构的耐久性能，代替传统的实车道路试验验证，大幅缩短研发周期,节约研发成本，提升企业的竞争力。