引言

在汽車設(shè)計(jì)中，白車身強(qiáng)度、疲勞壽命都是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可靠性及耐久性的重要標(biāo)準(zhǔn)，白車身靜態(tài)強(qiáng)度仿真計(jì)算在開發(fā)前期能較快將結(jié)構(gòu)高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行暴露，但在汽車開發(fā)過程中往往存在準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度無法直接預(yù)測(cè)的開裂現(xiàn)象，此時(shí)使用疲勞耐久仿真手段進(jìn)行前期預(yù)測(cè)及評(píng)估更為必要，車身結(jié)構(gòu)80%以上的失效是疲勞引起的，為此對(duì)白車身結(jié)構(gòu)提出疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析十分重要。

傳統(tǒng)的汽車疲勞耐久性評(píng)價(jià)一般是通過可靠性試驗(yàn)進(jìn)行，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于疲勞耐久仿真軟件壽命預(yù)測(cè)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證的方法受到廣大汽車企業(yè)的認(rèn)可。本文將結(jié)合相關(guān)疲勞理論、Simcenter仿真軟件和西門子工程咨詢服務(wù)團(tuán)隊(duì)豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對(duì)車身疲勞問題給出專業(yè)的解決方案。

01疲勞仿真概述1.1什么是疲勞

疲勞是零部件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下.在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

1.2疲勞仿真的優(yōu)勢(shì)

在汽車研發(fā)過程中，工程師需要根據(jù)汽車的性能目標(biāo)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如果在研發(fā)過程中對(duì)產(chǎn)品的疲勞耐久性采用試驗(yàn)方式進(jìn)行驗(yàn)證，那么會(huì)大大增加開發(fā)成本和開發(fā)周期，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有一定的限制條件。若采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的疲勞耐久性進(jìn)行評(píng)估，則可以大大的節(jié)約開發(fā)成本，且容易獲得計(jì)算資源，也可以迅速的對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，推進(jìn)開發(fā)進(jìn)度縮短開發(fā)周期。

1.3疲勞仿真的影響因素
載荷

載荷是影響零部件疲勞壽命的主要原因之一，汽車所承受的外部載荷是隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)載荷，其中大部分是循環(huán)動(dòng)態(tài)隨機(jī)載荷。所以獲得部件真實(shí)載荷歷程，是疲勞仿真的關(guān)鍵。

應(yīng)力

在零部件疲勞失效以前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。表示這種應(yīng)力（應(yīng)變）水平S和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命N之間關(guān)系的曲線稱為材料的S-N曲線。所以獲取準(zhǔn)確的應(yīng)力值也是疲勞仿真的關(guān)鍵。

材料

材料的屈服強(qiáng)度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來說，材料的屈服強(qiáng)度越高，疲勞強(qiáng)度也越高。所以需要定義材料本身特性。

1.4如何解決仿真與實(shí)驗(yàn)的差異

仿真是實(shí)驗(yàn)的前提，而試驗(yàn)又是對(duì)仿真的驗(yàn)證，二者的關(guān)系是相輔相成的。仿真實(shí)驗(yàn)最基本的步驟是建模，建模的過程就涉及到很多理論工作和經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，且仿真結(jié)果是在一個(gè)特定模型下的計(jì)算結(jié)果，所以仿真與試驗(yàn)之間存在一定誤差是必然的。對(duì)于如何減少仿真與實(shí)驗(yàn)的誤差，可以從以下幾個(gè)方面解決：

• 進(jìn)一步改善分析方法（焊接模擬方式，有限元建模方式…..）

• 設(shè)置預(yù)期的修正參數(shù)

• 分析疲勞結(jié)果影響因素（試驗(yàn)具有離散性、仿真結(jié)果有唯一性）

• 提高有關(guān)疲勞影響因素方面的理論知識(shí)

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02疲勞仿真載荷提取

進(jìn)行車身及地盤零部件疲勞壽命計(jì)算首先要獲取部件真實(shí)載荷。針對(duì)疲勞載荷提取的問題，西門子工程咨詢團(tuán)隊(duì)提供了兩套解決方案：

方案1:通過在試驗(yàn)路或試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)部件進(jìn)行工況試驗(yàn)，獲取部件或系統(tǒng)載荷真實(shí)載荷；

方案2:利用仿真技術(shù)，通過系統(tǒng)的外部載荷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多體仿真或有限元仿真計(jì)算得到部件載荷，當(dāng)然，仿真模型的準(zhǔn)確性需要用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。

現(xiàn)今，多體仿真已被確立為一項(xiàng)可靠的道路載荷計(jì)算技術(shù)。為了解決不同層次的模型復(fù)雜性以及測(cè)量數(shù)據(jù)可用性的問題，將使用多種方法從部件級(jí)懸架載荷到整車載荷。在整車載荷預(yù)測(cè)范疇中，Siemens PLM Software提供了兩種不同的方法：一種方法為數(shù)字路面法，是一種純粹的有限元方法；另一種方案是Virtual.Lab Motion 時(shí)域波形復(fù)現(xiàn)（TWR）軟件的混合路面法。

混合路面載荷預(yù)測(cè)技術(shù)路線

數(shù)字路面法：需要在軟件中詳細(xì)準(zhǔn)確的搭建出多體疲勞輪胎模型、多體車輛模型、3D路面模型及駕駛員模型。

混合路面法：允許工程師使用試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，并通過一致使用的方式將數(shù)據(jù)傳遞到CAE環(huán)境。此方法有助于提供真實(shí)的道路載荷預(yù)測(cè)，且避免了數(shù)字路面法帶來的一些復(fù)雜性和成本問題?；旌吐访孑d荷預(yù)測(cè)有以下優(yōu)點(diǎn)：

?準(zhǔn)確預(yù)測(cè)底盤部件和車身的耐久載荷

?避免復(fù)雜且昂貴的輪胎和數(shù)字路面建模

?在建造樣車之前發(fā)現(xiàn)并解決車輛性能問題

?根據(jù)前代車型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)下代車型的道路載荷

?提供一致使用的方法將測(cè)試數(shù)據(jù)傳遞到CAE環(huán)境

?可進(jìn)行車身不受約束的車輛仿真，得到更準(zhǔn)確的載荷

?通過復(fù)現(xiàn)測(cè)試工況和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)部件載荷，可降低耐久性試驗(yàn)的次數(shù)

PART
03焊接疲勞分析

焊接連接是工業(yè)領(lǐng)域上非常常見的結(jié)構(gòu)連接方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有非常重要的地位，因此焊接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都非常重要。汽車工藝中常用的焊接工藝分為兩種：點(diǎn)焊和縫焊。下面詳細(xì)介紹一下西門子工程咨詢團(tuán)隊(duì)對(duì)焊點(diǎn)疲勞和焊縫疲勞的解決方案。

3.1焊點(diǎn)疲勞

在汽車裝配過程中電阻點(diǎn)焊是主要的連接方法。點(diǎn)焊是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的金屬板材壓在一起，并通過電流將板材連接起來。典型的例子是白車身結(jié)構(gòu)，包含數(shù)千個(gè)點(diǎn)焊連接。焊點(diǎn)的質(zhì)量及焊點(diǎn)的位置對(duì)焊點(diǎn)的疲勞性能有重要的影響。Simcenter PLM Software對(duì)于焊點(diǎn)疲勞提供了兩種方法：傳統(tǒng)的基于力的方法和基于應(yīng)力的方法。

傳統(tǒng)的基于力的方法（LBF）

?有限元網(wǎng)格：粗糙的NVH焊點(diǎn)模型 (HEXA, CWELD 或 CBAR)

?有限元軟件計(jì)算焊核上的力和力矩；

?中解析表達(dá)式（Rupp方法）得到焊核和影響區(qū)的徑向應(yīng)力（radial stress）；

?疲勞軟件中基于Rupp-SN-curve計(jì)算損傷；

?優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)格粗，計(jì)算快，直接利用NVH模型；

?缺點(diǎn)：應(yīng)力對(duì)網(wǎng)格靈敏度高，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求高；

基于應(yīng)力的方法

?有限元網(wǎng)格：詳細(xì)焊點(diǎn)模型 washer網(wǎng)格（至少有一個(gè)ring，一個(gè)ring里至少有5個(gè)elements）；

?焊接的兩個(gè)鈑金要保持平行，否則會(huì)引入多余的力矩，對(duì)應(yīng)力影響很大；

?基于精細(xì)化焊點(diǎn)模型計(jì)算出應(yīng)力；

?預(yù)測(cè)精確的疲勞壽命；

?優(yōu)點(diǎn)：精度高

?缺點(diǎn)：網(wǎng)格精細(xì)，計(jì)算速度慢；

3.2焊縫疲勞
基于名義應(yīng)力

? 從殼單元網(wǎng)格上讀取主應(yīng)力

? 查找具體的SN曲線(標(biāo)準(zhǔn)焊縫系列得到)

? 具體的SN曲線需要焊接幾何及加載條件

? 使用殼單元有限元網(wǎng)格 (焊縫幾何不被模擬)

?殼單元模型的焊縫其焊接處的局部應(yīng)力不能被計(jì)算 → 一般從焊縫相鄰的單元讀取應(yīng)力

名義應(yīng)力法典型的標(biāo)準(zhǔn)焊接類別

Simcenter Durability軟件可識(shí)別的焊縫類型如下：

基于局部應(yīng)力(RxMS 方法)

?使用較好的象征性的3D網(wǎng)格模擬焊縫幾何

?通過幾何讀取應(yīng)力

?查找焊縫的SN曲線（RxMS專用曲線）

?在板材交匯和焊接表面，模型具有恒定的缺口半徑尺寸

?焊縫具有單一的材料屬性

?采用的是S-N方法

?材料屬性是通過試驗(yàn)反算得到

?考慮了平均應(yīng)力和離散性的影響

PART
04振動(dòng)疲勞分析

當(dāng)疲勞路面為激勵(lì)共振路面時(shí)，車輛在一定速度下，加載頻率顯著提高，就必須考慮其動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)態(tài)載荷會(huì)引起共振（局部共振，整體共振），從而發(fā)生振動(dòng)的結(jié)構(gòu)疲勞。所以在高于結(jié)構(gòu)固有頻率的載荷下進(jìn)行疲勞損傷評(píng)價(jià)時(shí)，為了考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的疲勞破壞，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。由振動(dòng)引起的疲勞問題技術(shù)路線可以分為：時(shí)域振動(dòng)疲勞分析和頻域振動(dòng)疲勞分析（隨機(jī)PSD和諧波頻譜）。

4.1時(shí)域振動(dòng)疲勞分析

時(shí)域疲勞可以通過靜應(yīng)力分析或者模態(tài)瞬態(tài)法進(jìn)行分析；其中模態(tài)瞬態(tài)法一般用于需要考慮共振對(duì)疲勞的影響，載荷的加載頻率接近系統(tǒng)的共振頻率；對(duì)于時(shí)域振動(dòng)疲勞問題，我們基于Motion 3D給出以下解決方案：

●  采用系統(tǒng)級(jí)疲勞分析方法

●  Motion計(jì)算載荷：模態(tài)參與因子

●  Durability中計(jì)算疲勞損傷

●  不需要軟件的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也不需要數(shù)據(jù)的切換。一切工作都可在Simcenter 3D中進(jìn)行。避免人為的錯(cuò)誤。

●  即考慮了低頻載荷的作用，也考慮了高頻振動(dòng)因素的影響

4.2頻域振動(dòng)疲勞分析一般來說得到一個(gè)應(yīng)力的功率普密度(PSD)比應(yīng)力的時(shí)間歷程要容易。而且快速的頻率響應(yīng)(傳遞函數(shù))計(jì)算比耗時(shí)的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算更有參考價(jià)值。基于的PSD頻域疲勞預(yù)測(cè)方法比時(shí)域疲勞預(yù)測(cè)方法有以下優(yōu)勢(shì)。

• 時(shí)域所得損傷是取自對(duì)一段隨機(jī)變化信號(hào)的計(jì)數(shù)，因此通過時(shí)域方法獲得的損傷本身就是一個(gè)隨機(jī)變量，無法避免對(duì)所得的損傷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷。這些需要進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)處理量非常大。而基于PSD的頻域分析方法計(jì)算簡單，不需要循環(huán)計(jì)數(shù)。

• 隨機(jī)動(dòng)態(tài)應(yīng)力，在時(shí)域內(nèi)需要很長的信號(hào)記錄才能準(zhǔn)確地描述隨機(jī)響應(yīng)，同時(shí)處理長的時(shí)域信號(hào)非常困難，而得到頻域功率譜應(yīng)力信號(hào)則較為方便。

• 用來進(jìn)行疲勞分析的頻域信號(hào)采樣率只要達(dá)到時(shí)域信號(hào)采樣率的1／10就可以得到與用時(shí)域信號(hào)預(yù)測(cè)同樣精度的結(jié)果，頻域信號(hào)的讀取、儲(chǔ)存都比時(shí)域信號(hào)方便。

4.3時(shí)域分析與頻域分析的關(guān)系

頻域是表述時(shí)域信號(hào)的另一種形式，在x軸代表頻率而不是時(shí)間。把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域時(shí)，我們把信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的，不同幅值/頻率/相位的正弦波。這些正弦波疊加起來就是原來的時(shí)間歷程。這種把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換正弦信號(hào)的方法稱為“傅里葉變換”。值得注意的是， 因?yàn)楣β首V密度（PSD）不包含相位信息，傅里葉反變換用于功率譜密度并不能完全再現(xiàn)原來的時(shí)域信號(hào)。但是對(duì)于各態(tài)歷經(jīng)固定相的高斯分布隨機(jī)過程，我們可以取出一段時(shí)間的時(shí)間歷程，假設(shè)它代表了原始的時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)特性，如此假設(shè)是偏于保守的。

PART
05疲勞仿真應(yīng)用案例5.1菲亞特-耐久性虛擬驗(yàn)證

項(xiàng)目挑戰(zhàn)：

• 創(chuàng)建可以產(chǎn)生可靠模型的虛擬設(shè)計(jì)

• 在汽車研發(fā)開始之前預(yù)測(cè)道路載荷

• 理解汽車對(duì)疲勞的響應(yīng)機(jī)制

• 統(tǒng)一北美和歐洲試驗(yàn)場(chǎng)

成功的關(guān)鍵：

• 菲 亞 特 和 Siemens PLM Software 之間的長期合作關(guān)系

• Siemens PLM Software 提供定制解決方案的能力LMS 產(chǎn)品的易用性和強(qiáng)大功能

實(shí)施成果：

• 將實(shí)際載荷的誤差范圍減少至8%-15%

• 降低了初始階段的不確定性，更快地提高質(zhì)量

• 在制作樣車前進(jìn)行仿真，減少了過設(shè)計(jì)

• 在兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)之間建立等效性，降低了成本

5.2奔馳-耐用性標(biāo)準(zhǔn)化過程項(xiàng)目挑戰(zhàn)：

• 保持耐用的質(zhì)量:對(duì)奔馳的品牌DNA至關(guān)重要

• 減少原型的數(shù)量，節(jié)省整車開發(fā)的時(shí)間和成本

• 成功標(biāo)準(zhǔn)化耐久性過程

• 當(dāng)涉及到耐用性時(shí)，第一次設(shè)計(jì)就要正確

• 在新車開發(fā)中管理日益增加的復(fù)雜性

成功的關(guān)鍵：

• 找到仿真和測(cè)試解決方案的正確組合

• 做盡可能多的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)

• 在正確的時(shí)間在一個(gè)非常高的水平上進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量

• 在相同的數(shù)據(jù)格式和過程管理工具上進(jìn)行全球標(biāo)準(zhǔn)化

  
  

實(shí)施成果：

• 完全取消了預(yù)測(cè)試階段，取而代之的是CAE

• 實(shí)際上創(chuàng)建了缺失的測(cè)試數(shù)據(jù)，以簡化最終的測(cè)試過程

5.3尼桑-基于測(cè)試的耐久性工程項(xiàng)目挑戰(zhàn)：

• 通過強(qiáng)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的耐用性和可靠性，增加品牌價(jià)值

• 實(shí)施最先進(jìn)的工程流程，以更快地實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果

• 為試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)縮短和等效損傷時(shí)間計(jì)劃

成功的關(guān)鍵：

• 便攜式和多功能的Simcenter SCADAS硬件

• 能夠獲取和分析大量數(shù)據(jù)

• 實(shí)現(xiàn)一個(gè)易于使用，一致的軟件平臺(tái)，以滿足所有的采辦，分析和報(bào)告需求

實(shí)施成果：

• 創(chuàng)建了一個(gè)流線型的，高效的基于測(cè)試的耐久性工程過程

• 優(yōu)化了組件的耐用性，與其他性能屬性保持平衡

• 通過收集的數(shù)據(jù)獲得了更大的見解

External access to the case study:

https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/customers/nissan-technical-centre-europe/59073/

Youtubevideo: https://www.youtube.com/watch?v=tqfvfTZwtJw