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2016158 基于随机载荷的白车身焊点疲劳寿命预测*龙海强1，2,胡玉梅1,2,刘 波3，金晓清1,2，朱 浩1,2 (1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044； 2.重庆大学汽车工程学院,重庆 400044；3.长安汽车工程研究院，重庆 401120) [摘要] 针对车辆开发过程试车场试验中的焊点疲劳失效这一普遍现象，根据道路试验要求采集车辆耐久试验路面载荷谱,并通过虚拟迭代的方法获得了某车型车身与底盘19个连接点的三向力和力矩载荷的时间历程。建立白车身与焊点有限元模型，应用Nastran惯性释放法计算各连接点单位载荷激励下焊点和周边钣件的应力分布。以虚拟迭代的载荷谱为激励，完成焊点疲劳分析与累积损伤叠加，预测了设计焊点的潜在风险并通过局部增加焊点和优化焊点布置提升了焊点的疲劳寿命。 关键词：白车身；焊点；疲劳寿命；载荷谱；虚拟迭代 前言电阻点焊以其高效率、低成本等突出优点被广泛应用于汽车等大规模薄板装配制造业，是车身装配制造关键技术之一。通常，轿车白车身由5 000～7 000个焊点完成装配[1-2]，大量的焊点不仅是白车身装配连接的需要，也是白车身承受扭转、颠簸、碰撞等条件下零部件之间载荷传递的主要途径。由于点焊连接的离散性，在其连接位置形成几何突变，导致局部应力集中。同时，点焊连接是复杂的物理化学过程，局部焊接板材瞬间加热熔化并以高达1 200℃/s的速度冷却形成焊核[3-4]。该加工过程常常伴有不可避免的夹杂、孔隙[5-6]等缺陷残留在焊核区，从而影响焊点的连接强度和疲劳寿命。 道路耐久试验是整车产品开发过程中不可或缺的试验。其结合用户使用特点以及试验场典型路面设计参数，进行用户当量里程试验以评估汽车产品结构耐久性能[7-9]。整车道路试验中焊点疲劳失效是常见现象，并且进一步导致车身钣金撕裂和车身结构耐久性能下降。整车开发中试验-改进-再验证的开发模式不仅成本高，而且周期长。而对道路试验随机载荷激励的疲劳问题不能通过保守的结构强度、疲劳等CAE仿真获得满意的答案。这一现象难以与日益激烈的市场竞争和苛刻的用户需求相适应。因此，在车身开发初期考虑试验随机载荷条件下的车身焊点疲劳寿命预测对降低产品开发成本，缩短开发周期具有重要的工程应用价值。 随着计算软硬件和CAE技术在疲劳仿真领域的应用日益广泛与成熟，与整车道路试验相结合以实测道路谱载荷为激励的疲劳仿真技术正成为汽车结构疲劳寿命预测的重要途径[10-11]。本文中介绍在某车型开发中，以参考车为基础采集试验场典型路面载荷谱，通过虚拟迭代的方法获得车身与底盘连接点载荷时间历程并用于设计车身焊点疲劳寿命仿真与优化。通过对焊点疲劳寿命计算与累积损伤叠加，在车身设计数据冻结前发现了设计数据中潜在的危险焊点并以增加焊点和优化焊点布置的方法来提升车身焊点疲劳寿命。 1 载荷采集试验场道路载荷是车辆场地耐久试验的载荷源，通过采集车辆对试验场地路面的响应信号并反求路面输入不仅可用于整车产品开发耐久性仿真，也可用于车辆快速台架耐久试验。 1.1 采集方案 为尽可能在设计阶段进行车辆疲劳仿真，杂合车或者参考车是常见载荷采集用车。为确保采集载荷的适用性，载荷采集车辆与设计开发车辆状态相关性是重要的参考条件。本文中选择以设计开发的参考车作为采集车辆，两者具有相同的轮距、轴距和悬架形式(前麦弗逊悬架、后扭力梁)，且两者整备质量相差约50kg。采集车辆按设计车状态匹配车辆前后轴荷、轮荷，并完成测量点相应测量装置安装、标定。因车辆结构整体上对称分布，以左侧为例其主要测量点对应的测量信号如表1所示。数据采集时还包括GPS车速记录、开关控制量等共计42个信号通道。 表1 测量点与测量信号  编号测量点测量说明单位1左前球铰_X弯曲半桥N2左前球铰_Y弯曲半桥N3稳定杆拉杆拉压全桥N4后扭力梁_X拉压全桥N5后扭力梁_Y弯曲半桥N6左前弹簧位移量mm7左前轮心_X加速度g8左前轮心_Y加速度g9左前轮心_Z加速度g10左后轮心_X加速度g11左后轮心_Y加速度g12左后轮心_Z加速度g13左前减振座_Z加速度g14左后减振座_Z加速度g………… 1.2 数据采集 为获得车辆实际道路行驶的载荷信息，本文中结合整车可靠性道路试验规范，应用eDaq采集系统采集参考车满载状态在襄樊试验场耐久路面行驶的载荷谱信息。车辆采集准备以及采集设备如图1所示。  图1 路谱采集设备与车辆 其中车辆载荷谱采集的主要路面及规定车速如表2所示。为保证数据采集的稳定性，本次数据采集进行3次重复操作，且每次采集结束均需查看采集信号是否稳定。采集试验中驾驶员在各种路面完成规定的试验操作，GPS车速记录结果显示最大车速误差小于3km/h。 表2 采集路面与车速  序号路面车速/(km·h-1)1凸块路302扭曲路103石块路404卵石路355坑洼路256鱼鳞坑457共振I508共振II509共振III5010比利时路40……… 2 虚拟迭代通过对车辆在试验路面的载荷采集，获取车辆轮心、球销、摆臂、扭力梁、车身等采集点时域内三向加速度、应变、位移等测量信号。这些信号实质上是车辆结构对路面激励的输出响应，不能直接用于结构疲劳仿真。为此，在FEMFAT-LAB中调用整车多体动力学模型，以轮心位移为驱动并辅助其他测量信号迭代出零部件连接点的时域载荷信号，即为零部件输入点载荷时间历程。 2.1 迭代原理 如果将整车多体模型定义为一个系统，其输入输出信号的关系定义为系统传递函数F(x)。为求解整车多体模型传递函数，以白噪声u0(x)为输入信号驱动多体动力学模型，系统输出信号为y0(x)，则传递函数F(x)为 F(x)=y0(x)/u0(x) (1) 载荷采集试验获得采集点相关测量信号，即系统输出信号ym(x)。通过系统传递函数的逆函数F-1(x)即可反求系统输入信号。求解的第一个输入信号u1(x)为 u1(x)=F-1(x)ym(x) (2) 将反求的输入信号u1(x)施加给整车多体模型，得到输出响应y1(x)，比较y1(x)与ym(x)，如果其结果满足误差要求，则可结束迭代。由于整车多体模型是一个非线性系统，而传递函数是线性关系，因此需要反复迭代逐渐逼近测量值并最终获得误差允许的输入载荷。迭代公式为 un+1(x)=un(x)+F-1(x)(ym(x)-yn(x)) (3) 2.2 载荷提取 迭代信号与实测信号的比较是判断虚拟迭代关键。为确保迭代结果的可靠性，通常分别从信号的时域、频域和相对损伤值3个方面进行评价[12]。当迭代误差满足评价要求时即可停止迭代，最终迭代得到的外力驱动多体模型即可分解并提取车身与底盘各部件的载荷时间历程信号。该载荷时间历程即为各种路面激励对应的疲劳分析输入条件。以左前减振器与车身连接点为例，虚拟迭代所提取的比利时路面Z向力-时间历程信号及局部放大如图2所示。其中横坐标值为采样点数，采样频率为1s采集1 024个数据点。  图2 左前减振器与车身连接点比利时路Z向力-时间历程 3 焊点疲劳预测焊点的疲劳失效在试验中主要表现为焊点结合面失效和焊点周边钣金撕裂失效两种形式。为预测焊点的疲劳寿命并节约计算资源，本文中计算焊点疲劳损伤时仅将Bar单元焊点及其周边3层shell单元为参与对象，以虚拟迭代的载荷时间历程为激励进行计算。 3.1 车身及焊点模型处理 焊点连接是影响车身刚度和连接钣金强度的重要因素。目前在有限元分析中有多种模拟焊点的方法。同时，焊点在车身连接中为离散分布，不宜孤立地建立焊点单元，进行结构应力计算。本文中在有限元建模中使用基本尺寸为15mm×15mm的shell单元模拟车身钣金结构。白车身单元总数为724 147，其中四边形单元697 804个。焊点模型采用Bar单元通过Rbe3与shell单元连接进行载荷传递,白车身与局部焊点模型如图3所示。  图3 白车身及焊点有限元模型 本文中采用文献[13]中提出的基于力的方法进行焊点疲劳分析，焊点及连接单元的内力和力矩载荷用于估算焊点强度，并且无需改变局部单元。通过作用在梁单元两端的力和力矩载荷计算焊点和周边钣金应力并以此进行S-N疲劳寿命计算。该方法对焊点(Nugget)局部载荷关系的描述如图4所示。  图4 焊点载荷描述 图中以焊点中心为原点，距离原点任意距离r的应力为 δrsum= CpFz+Cb(-Mycosθ+Mxsinθ)- Cs(Fxcosθ+Fysinθ) (4) 其中   式中：d为焊点直径；D为法向应力计算定义的圆盘直径；t为焊接板材厚度；Fi和Mi(i=1,2,3)为作用于焊点的三向力和力矩载荷；θ为焊点局部坐标x-y平面内应力点与x轴的夹角。 3.2 焊点寿命计算与优化 以采集的路面载荷结合多体动力学模型进行虚拟迭代后获得了比利时路、卵石路、石块路等各种典型路面条件下底盘与车身19个连接位置时域载荷谱信号，共计114个通道。其中各连接点包括3个力和3个力矩载荷。通过对白车身与底盘相应的连接点施加114个单位载荷工况并约束整车质心在车身地板的投影点进行惯性释放的结构应力分析，获得单位载荷下焊点及周边钣金的结构应力。分析时的边界条件如图5所示。  图5 白车身单位载荷分析 通过单位工况分析获得焊点承载信息和焊点周边单元的应力分布。通过模型缩减，仅保留焊点及其周边3层shell单元用于焊点疲劳分析。在FEMFAT中导入缩减的焊点、钣金单元和单位载荷分析的应力结果，分别以每段路面载荷时间历程进行分段的疲劳损伤计算。每段路面疲劳计算完成后按照Miner法则和可靠试验规定的各典型路面循环次数进行线性叠加,焊点累积疲劳损伤为  (4) 式中：D为全试验里程的累积损伤，通常认为累积损伤D≥1.0即出现疲劳失效；Ni为第i种典型路面的试验循环次数；Di为第i种典型路面单次循环的损伤值；m为典型路面种类数。结合车辆道路试验规范，每段路面完成规定次数的循环。该车基础设计数据焊点疲劳损伤分析结果显示，在后排座椅安装点、扭力梁安装座、门槛梁和C柱与下车体连接等区域均存在个别焊点累积损伤大于设计目标。以图6和图7为例，其焊点最大损伤值分别达到26.723和3.779。 图6 后排座椅安装位置焊点损伤值 图7 后扭力梁安装座焊点损伤值 提高钣金件疲劳寿命的传统方法，例如结构变动和提高材料等级等对提升焊点疲劳寿命影响不明显。增加板厚可以降低焊点及周边钣金的应力，有效提升焊点疲劳寿命，但仅因局部焊点疲劳问题而增加板厚很不经济。工程中常以修改焊点结构布局、增加焊点的方式达到减小焊点受力的效果。这也是更为有效的提升焊点疲劳寿命的方法。本文中根据基础分析结果和工程经验，针对疲劳损伤不满足目标要求的焊点进行焊点增加和调整焊点位置，并重新计算更新结构的单位载荷工况的结构应力。再次以迭代载荷时间历程进行焊点疲劳损伤分析直到所修改的焊点损伤值满足预定目标要求。 4 结论本文中结合车辆产品开发工程需求，在项目开发初期面向整车道路试验要求，用参考车采集了车辆试验场耐久路面道路载荷谱。结合整车多体动力学模型通过虚拟迭代的方法获得车身与底盘件19个连接点的三向力和力矩的载荷时间历程。 建立车身和焊点有限元模型，分别以三向单位力和力矩载荷进行114个工况的结构应力分析。基于力的方法在单位载荷分析基础上以道路载荷时间历程为激励计算了车身焊点疲劳损伤，并发现设计数据中多处潜在的危险焊点。以焊点位置调整和增加焊点的方法减小了焊点受力，提升了焊点疲劳寿命。 参考文献： [1] ASLANLAR S, OGUR A, OZSARAC U, et al. 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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”国家科技支撑计划(2011BAG03B01)和重庆市杰出青年项目(cstc2014jcyjjq50002)资助。 原稿收到日期为2015年6月9日，修改稿收到日期为2015年8月1日。 |
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