2016158

基於隨機載荷的白車身焊點疲勞壽命預測*

龍海強1，2,胡玉梅1,2,劉 波3，金曉清1,2，朱 浩1,2

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044； 2.重慶大學汽車工程學院,重慶 400044；3.長安汽車工程研究院，重慶 401120)

[摘要] 針對車輛開發過程試車場試驗中的焊點疲勞失效這一普遍現象，根據道路試驗要求採集車輛耐久試驗路面載荷譜,並通過虛擬迭代的方法獲得了某車型車身與底盤19個連接點的三向力和力矩載荷的時間歷程。建立白車身與焊點有限元模型，應用Nastran慣性釋放法計算各連接點單位載荷激勵下焊點和周邊鈑件的應力分布。以虛擬迭代的載荷譜為激勵，完成焊點疲勞分析與累積損傷疊加，預測了設計焊點的潛在風險並通過局部增加焊點和優化焊點布置提升了焊點的疲勞壽命。

關鍵詞：白車身；焊點；疲勞壽命；載荷譜；虛擬迭代

前言

電阻點焊以其高效率、低成本等突出優點被廣泛應用於汽車等大規模薄板裝配製造業，是車身裝配製造關鍵技術之一。通常，轎車白車身由5 000～7 000個焊點完成裝配[1-2]，大量的焊點不僅是白車身裝配連接的需要，也是白車身承受扭轉、顛簸、碰撞等條件下零部件之間載荷傳遞的主要途徑。由於點焊連接的離散性，在其連接位置形成幾何突變，導致局部應力集中。同時，點焊連接是複雜的物理化學過程，局部焊接板材瞬間加熱熔化並以高達1 200℃/s的速度冷卻形成焊核[3-4]。該加工過程常常伴有不可避免的夾雜、孔隙[5-6]等缺陷殘留在焊核區，從而影響焊點的連接強度和疲勞壽命。

道路耐久試驗是整車產品開發過程中不可或缺的試驗。其結合用戶使用特點以及試驗場典型路面設計參數，進行用戶當量里程試驗以評估汽車產品結構耐久性能[7-9]。整車道路試驗中焊點疲勞失效是常見現象，並且進一步導致車身鈑金撕裂和車身結構耐久性能下降。整車開發中試驗-改進-再驗證的開發模式不僅成本高，而且周期長。而對道路試驗隨機載荷激勵的疲勞問題不能通過保守的結構強度、疲勞等CAE模擬獲得滿意的答案。這一現象難以與日益激烈的市場競爭和苛刻的用戶需求相適應。因此，在車身開發初期考慮試驗隨機載荷條件下的車身焊點疲勞壽命預測對降低產品開發成本，縮短開發周期具有重要的工程應用價值。

隨著計算軟硬體和CAE技術在疲勞模擬領域的應用日益廣泛與成熟，與整車道路試驗相結合以實測道路譜載荷為激勵的疲勞模擬技術正成為汽車結構疲勞壽命預測的重要途徑[10-11]。本文中介紹在某車型開發中，以參考車為基礎採集試驗場典型路面載荷譜，通過虛擬迭代的方法獲得車身與底盤連接點載荷時間歷程並用於設計車身焊點疲勞壽命模擬與優化。通過對焊點疲勞壽命計算與累積損傷疊加，在車身設計數據凍結前發現了設計數據中潛在的危險焊點並以增加焊點和優化焊點布置的方法來提升車身焊點疲勞壽命。

1 載荷採集

試驗場道路載荷是車輛場地耐久試驗的載荷源，通過採集車輛對試驗場地路面的響應信號並反求路面輸入不僅可用於整車產品開發耐久性模擬，也可用於車輛快速台架耐久試驗。

1.1 採集方案

為儘可能在設計階段進行車輛疲勞模擬，雜合車或者參考車是常見載荷採集用車。為確保採集載荷的適用性，載荷採集車輛與設計開發車輛狀態相關性是重要的參考條件。本文中選擇以設計開發的參考車作為採集車輛，兩者具有相同的輪距、軸距和懸架形式(前麥弗遜懸架、後扭力梁)，且兩者整備質量相差約50kg。採集車輛按設計車狀態匹配車輛前後軸荷、輪荷，並完成測量點相應測量裝置安裝、標定。因車輛結構整體上對稱分布，以左側為例其主要測量點對應的測量信號如表1所示。數據採集時還包括GPS車速記錄、開關控制量等共計42個信號通道。

表1 測量點與測量信號

編號測量點測量說明單位1左前球鉸_X彎曲半橋N2左前球鉸_Y彎曲半橋N3穩定桿拉杆拉壓全橋N4後扭力梁_X拉壓全橋N5後扭力梁_Y彎曲半橋N6左前彈簧位移量mm7左前輪心_X加速度g8左前輪心_Y加速度g9左前輪心_Z加速度g10左後輪心_X加速度g11左後輪心_Y加速度g12左後輪心_Z加速度g13左前減振座_Z加速度g14左後減振座_Z加速度g…………

1.2 數據採集

為獲得車輛實際道路行駛的載荷信息，本文中結合整車可靠性道路試驗規範，應用eDaq採集系統採集參考車滿載狀態在襄樊試驗場耐久路面行駛的載荷譜信息。車輛採集準備以及採集設備如圖1所示。

圖1 路譜採集設備與車輛

其中車輛載荷譜採集的主要路面及規定車速如表2所示。為保證數據採集的穩定性，本次數據採集進行3次重複操作，且每次採集結束均需查看採集信號是否穩定。採集試驗中駕駛員在各種路面完成規定的試驗操作，GPS車速記錄結果顯示最大車速誤差小於3km/h。

表2 採集路面與車速

序號路面車速/(km·h-1)1凸塊路302扭曲路103石塊路404卵石路355坑窪路256魚鱗坑457共振I508共振II509共振III5010比利時路40………

2 虛擬迭代

通過對車輛在試驗路面的載荷採集，獲取車輛輪心、球銷、擺臂、扭力梁、車身等採集點時域內三向加速度、應變、位移等測量信號。這些信號實質上是車輛結構對路面激勵的輸出響應，不能直接用於結構疲勞模擬。為此，在FEMFAT-LAB中調用整車多體動力學模型，以輪心位移為驅動並輔助其他測量信號迭代出零部件連接點的時域載荷信號，即為零部件輸入點載荷時間歷程。

2.1 迭代原理

如果將整車多體模型定義為一個系統，其輸入輸出信號的關係定義為系統傳遞函數F(x)。為求解整車多體模型傳遞函數，以白雜訊u0(x)為輸入信號驅動多體動力學模型，系統輸出信號為y0(x)，則傳遞函數F(x)為

F(x)=y0(x)/u0(x)

(1)

載荷採集試驗獲得採集點相關測量信號，即系統輸出信號ym(x)。通過系統傳遞函數的逆函數F-1(x)即可反求系統輸入信號。求解的第一個輸入信號u1(x)為

u1(x)=F-1(x)ym(x)

(2)

將反求的輸入信號u1(x)施加給整車多體模型，得到輸出響應y1(x)，比較y1(x)與ym(x)，如果其結果滿足誤差要求，則可結束迭代。由於整車多體模型是一個非線性系統，而傳遞函數是線性關係，因此需要反覆迭代逐漸逼近測量值並最終獲得誤差允許的輸入載荷。迭代公式為

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

(3)

2.2 載荷提取

迭代信號與實測信號的比較是判斷虛擬迭代關鍵。為確保迭代結果的可靠性，通常分別從信號的時域、頻域和相對損傷值3個方面進行評價[12]。當迭代誤差滿足評價要求時即可停止迭代，最終迭代得到的外力驅動多體模型即可分解並提取車身與底盤各部件的載荷時間歷程信號。該載荷時間歷程即為各種路面激勵對應的疲勞分析輸入條件。以左前減振器與車身連接點為例，虛擬迭代所提取的比利時路面Z向力-時間歷程信號及局部放大如圖2所示。其中橫坐標值為採樣點數，採樣頻率為1s採集1 024個數據點。

圖2 左前減振器與車身連接點比利時路Z向力-時間歷程

3 焊點疲勞預測

焊點的疲勞失效在試驗中主要表現為焊點結合面失效和焊點周邊鈑金撕裂失效兩種形式。為預測焊點的疲勞壽命並節約計算資源，本文中計算焊點疲勞損傷時僅將Bar單元焊點及其周邊3層shell單元為參與對象，以虛擬迭代的載荷時間歷程為激勵進行計算。

3.1 車身及焊點模型處理

焊點連接是影響車身剛度和連接鈑金強度的重要因素。目前在有限元分析中有多種模擬焊點的方法。同時，焊點在車身連接中為離散分布，不宜孤立地建立焊點單元，進行結構應力計算。本文中在有限元建模中使用基本尺寸為15mm×15mm的shell單元模擬車身鈑金結構。白車身單元總數為724 147，其中四邊形單元697 804個。焊點模型採用Bar單元通過Rbe3與shell單元連接進行載荷傳遞,白車身與局部焊點模型如圖3所示。

圖3 白車身及焊點有限元模型

本文中採用文獻[13]中提出的基於力的方法進行焊點疲勞分析，焊點及連接單元的內力和力矩載荷用於估算焊點強度，並且無需改變局部單元。通過作用在梁單元兩端的力和力矩載荷計算焊點和周邊鈑金應力並以此進行S-N疲勞壽命計算。該方法對焊點(Nugget)局部載荷關係的描述如圖4所示。

圖4 焊點載荷描述

圖中以焊點中心為原點，距離原點任意距離r的應力為

δrsum= CpFz+Cb(-Mycosθ+Mxsinθ)-

Cs(Fxcosθ+Fysinθ)

(4)

其中

式中：d為焊點直徑；D為法嚮應力計算定義的圓盤直徑；t為焊接板材厚度；Fi和Mi(i=1,2,3)為作用於焊點的三向力和力矩載荷；θ為焊點局部坐標x-y平面內應力點與x軸的夾角。

3.2 焊點壽命計算與優化

以採集的路面載荷結合多體動力學模型進行虛擬迭代後獲得了比利時路、卵石路、石塊路等各種典型路麵條件下底盤與車身19個連接位置時域載荷譜信號，共計114個通道。其中各連接點包括3個力和3個力矩載荷。通過對白車身與底盤相應的連接點施加114個單位載荷工況並約束整車質心在車身地板的投影點進行慣性釋放的結構應力分析，獲得單位載荷下焊點及周邊鈑金的結構應力。分析時的邊界條件如圖5所示。

圖5 白車身單位載荷分析

通過單位工況分析獲得焊點承載信息和焊點周邊單元的應力分布。通過模型縮減，僅保留焊點及其周邊3層shell單元用於焊點疲勞分析。在FEMFAT中導入縮減的焊點、鈑金單元和單位載荷分析的應力結果，分別以每段路面載荷時間歷程進行分段的疲勞損傷計算。每段路面疲勞計算完成後按照Miner法則和可靠試驗規定的各典型路面循環次數進行線性疊加,焊點累積疲勞損傷為

(4)

式中：D為全試驗里程的累積損傷，通常認為累積損傷D≥1.0即出現疲勞失效；Ni為第i種典型路面的試驗循環次數；Di為第i種典型路面單次循環的損傷值；m為典型路面種類數。結合車輛道路試驗規範，每段路面完成規定次數的循環。該車基礎設計數據焊點疲勞損傷分析結果顯示，在後排座椅安裝點、扭力梁安裝座、門檻梁和C柱與下車體連接等區域均存在個別焊點累積損傷大於設計目標。以圖6和圖7為例，其焊點最大損傷值分別達到26.723和3.779。

圖6 後排座椅安裝位置焊點損傷值

圖7 後扭力梁安裝座焊點損傷值

提高鈑金件疲勞壽命的傳統方法，例如結構變動和提高材料等級等對提升焊點疲勞壽命影響不明顯。增加板厚可以降低焊點及周邊鈑金的應力，有效提升焊點疲勞壽命，但僅因局部焊點疲勞問題而增加板厚很不經濟。工程中常以修改焊點結構布局、增加焊點的方式達到減小焊點受力的效果。這也是更為有效的提升焊點疲勞壽命的方法。本文中根據基礎分析結果和工程經驗，針對疲勞損傷不滿足目標要求的焊點進行焊點增加和調整焊點位置，並重新計算更新結構的單位載荷工況的結構應力。再次以迭代載荷時間歷程進行焊點疲勞損傷分析直到所修改的焊點損傷值滿足預定目標要求。

4 結論

本文中結合車輛產品開發工程需求，在項目開發初期面向整車道路試驗要求，用參考車採集了車輛試驗場耐久路面道路載荷譜。結合整車多體動力學模型通過虛擬迭代的方法獲得車身與底盤件19個連接點的三向力和力矩的載荷時間歷程。

建立車身和焊點有限元模型，分別以三向單位力和力矩載荷進行114個工況的結構應力分析。基於力的方法在單位載荷分析基礎上以道路載荷時間歷程為激勵計算了車身焊點疲勞損傷，並發現設計數據中多處潛在的危險焊點。以焊點位置調整和增加焊點的方法減小了焊點受力，提升了焊點疲勞壽命。

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Fatigue Life Prediction for the Spot Welds ofBody-in-white Based on Random Loadings

Long Haiqiang1,2, Hu Yumei1,2, Liu Bo3, Jin Xiaoqing1,2 & Zhu Hao1,2

1.Chongqing University, The State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing 400044;2.College of Automobile Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044; 3.Changan Automotive Engineering Institute, Chongqing 401120

[Abstract] In view of the common phenomenon of fatigue failure of spot welds occurred in the proving ground test during vehicle development process, firstly the road load spectra in vehicle durability test are collected according to road test requirements and the time histories of force and moment loadings in three directions of 19 connection points on the body and chassis of a vehicle are obtained by using virtual iteration. Then a finite element models for body-in-white with welding spots is built, and the stress distributions in the spot welds of connecting points and their surrounding panels are calculated by applying inertia relief method in Nastran. Finally with the loading spectra obtained by virtual iteration as excitations, the fatigue analysis and accumulated damage superimposition are performed, the potential risks of spot welds designed are predicted and the fatigue lives of spot welds are enhanced by locally adding spot welds and optimizing spot weld layout.

Keywords：body-in-white; spot welds; fatigue life; load spectra; virtual iteration

*「十二五」國家科技支撐計劃(2011BAG03B01)和重慶市傑出青年項目(cstc2014jcyjjq50002)資助。

原稿收到日期為2015年6月9日，修改稿收到日期為2015年8月1日。

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