基于Ncode 某电动SUV 车型车身疲劳仿真研究

杨飞，王子宁，吴泽勋，王德远，王飞宇

（重庆睿蓝汽车研究院有限公司，重庆 401122）

引言

汽车的耐久性能是现代车辆设计的一项重要指标[1]，会影响用户的购车意向及行车安全，据统计，汽车80 %以上的零部件失效都属于疲劳破坏。

传统的汽车疲劳耐久性主要是通过试车场试验、道路试验以及台架试验等方法来进行预测[2]。但传统的耐久试验具有周期长、成本高的特点，试验周期高达6 个月以上；试验场的路面试验至少也需要3 个月以上。而有限元仿真技术在缩短开发周期，减少试验成本，提高市场竞争力方面发挥着巨大作用。

乘用车的车身作为汽车的重要承载结构件，在车辆的行进过程中容易受到路面不平的影响，从而产生交变应力，引起疲劳损伤，如果一辆车的车身耐久性达不到实际使用要求，损伤在服役期间累计到一定程度就会导致部件疲劳失效。本文输入VPG 路谱载荷，模拟比利时路、沟区路、森林路、扭曲路等33 种常见特征路面工况，对某电动SUV 车型车身疲劳进行仿真研究，主要涉及焊点、焊缝、钣金疲劳分析及优化过程,为前期的设计开发规避疲劳破坏风险。

1 疲劳累计损伤理论

Miner 法则是对疲劳耐久性能评价机械结构较早提出的一种方法。这一法则假定：当结构吸收的能量到达疲劳极限时，破坏就会发生。依此假设，结构在各种应力水平下的最大可循环次数在破坏前的不同载荷历程中依次是N1，N2，N3…Ni，而实际在各种应力水平下的循环次数依次为n1，n2，n3…ni，则疲劳损伤表达式为[3]：

当D 为1 时，结构就会发生疲劳破坏。式（1）即为Miner 法则的线性疲劳累计损伤理论方程。

2 建立仿真模型

图1 为车身疲劳仿真分析流程。首先利用前处理软件（本次以ANSA 为例）对设计输入的CAD 模型进行处理，建立CAE 有限元仿真模型，再进行加载设置，利用MSC.Nastran（SOL 101）对模型进行求解，计算得到强度分析应力结果；然后将强度结果导入nCode 疲劳分析软件，对相关零部件的材料和疲劳参数进行设置，基于VPG 路谱载荷进行求解计算，得到疲劳损伤云图。最后利用后处理软件（本次以META 为例）进行疲劳损伤结果查看，依据目标值决定是否优化。

图1 车身疲劳仿真分析流程

2.1 强度模型搭建

分析用有限元模型应是满载的车身状态，包含TB、乘员和行李质量。如图2 所示。

图2 车身满载模型

2.1.1 配重（乘员及行李箱）

乘员重量分配依据某企业试验规范，采用RBE3+mass 的方式模拟。其中座椅58 kg，地板8 kg，左右脚踩位置各4 kg。

乘员58 kg：分配在座椅R 点；乘员脚步4 kg 和行李40 kg：分配在RBE3 自动耦合中心点，mass 单元模拟重量。RBE3 抓取位置及范围大小如图3 所示，脚踩位置为乘员标准坐姿状态。

图3 rbe3 抓取区域

注意：RBE3 抓取尽量错开焊点位置，左右侧连接范围对称最佳（根据实际结构）。同一款车型需要保持相同连接位置，以减少模型处理不同带来的结果差异。

行李重量用mass 单元模拟，通过RBE3 单元连接在后地板合适区域；

备胎（如果配备），备胎用RBE2 连接弹簧；

行李箱配置气瓶/随车工具等，根据实际情况定义质心和质量；前舱配置行李箱，也需要根据设计质量配载；

行李RBE3 抓取位置依据行李箱实际情况，抓取行李箱盖板与地板或备胎槽接触的外边缘。

表1 给出了乘员及行李箱配重表，由表可以看出，此SUV 车型是2 排5 座布局，前排配重66 kg+66 kg，后排配重66 kg+66 kg+66 kg（其中每个座椅：乘员58 kg+地板8 kg），行李箱是40 kg 重量。

表1 乘员及行李箱配重表

2.1.2 焊点模拟

依据某企业相关标准，采用统一焊点大小和基础网格尺寸，检查焊点RBE3 连接单元质量，如前后减震器座，流水槽和C 环等区域，RBE3 不能与其他连接单元共节点。ACM 焊点如图4 所示。

图4 焊点模型

2.1.3 焊缝建模及参数

车身焊缝用壳单元模拟，焊缝及热影响区单元均要求用四边形网格划分，且单元长度要求（4~5）mm 左右，不允许有三角形单元出现；

焊缝单元法向一致向外（焊接工作侧），角焊（垂直焊）焊接单元厚度为如图5。搭接焊单元厚度为tw=2tmin，如图6。 其中tw＞3 mm，tmin为两板中较薄板的厚度，图中t1和t2分别是两个焊接板的厚度。

图5 角焊（Fillet Weld)

图6 搭接焊（Overlap Weld）

2.1.4 工况定义及原理

应用惯性释放法，在前后副车架及前后减震器硬点位置分别加载XYZ 三个方向的单位力载荷，见图7 所示。

图7 车身单位力载荷示意图

惯性释放的原理是先计算不平衡外力作用下结构的运动（即加速度），通过静、动力平衡的方法来构造一个自平衡体系。用有限元方法建立静动力平衡方程：

式中:

{F}—所有节点分量组成的节点外载荷向量；

{δ}—所有节点加速度分量组成的节点加速度向量。

式中：

在实践过程中会发现，按照教材中给出的试剂进行实验，由于各种因素的影响，有时不能取得很好的实验效果。例如，在“制作并观察植物细胞有丝分裂的临时装片”的实验中，盐酸能使植物细胞之间的果胶质层松散，使根尖细胞彼此容易分开，教材中使用体积分数为10%的盐酸溶液解离10 min，耗时较长。适当增加盐酸溶液的浓度可以缩短解离的时间，如改用体积分数为20%的盐酸溶液，解离仅需5 min左右即可完成，细胞的分散程度也可以达到理想的效果。

N—形状矩阵；

ρ—密度；

Ω—体积分。

3 疲劳分析及计算结果

基于强度分析的应力结果，钣金件的E-N曲线，焊点材料的S-N 曲线，焊缝材料的S-N曲线，各接口点的载荷谱（如图8）输入到疲劳分析软件nCode 中，搭建分析五框图（如图9），并定义材料、设置疲劳参数，计算得到疲劳损伤值的云图。

图8 VPG 载荷谱

图9 疲劳分析框图

图10 评价标准

3.1 评价标准

钣金: 依据某企业要求，除washer 附近单元外，所有钣金损伤≤1.0，对超出部分需要进行优化；同时需要重点关注关键位置，例如减震器安装点周围的钣金结构；

焊点：依据某企业要求，所有焊点损伤应≤1.0，对于部分存在结构胶的区域，损伤可≤2.0。对于关键位置，如减震器周围，对损伤＜1.0 的也需要进一步分析是否需要优化以降低焊点开裂的风险；

3.2 计算结果

由图11 可以看出，后围板搭接处钣金损伤值过大（大于1）,不满足某企业目标要求，存在开裂风险；侧围后端与后地板连接板搭接焊点损伤大于某企业目标值，不满足要求，需要对以上结构进行优化，以降低该处疲劳破坏风险。

图11 损伤云图

4 结构优化

汽车的研发过程，就是一个不断进行设计优化的完善过程，来使得车辆满足一定的性能要求，对零部件的优化的常用手段有材料的优化和结构优化，在设计初期，一般通过对零件的结构进行优化来规避一定的设计缺陷和风险。以下就是对钣金和焊点的结构进行优化来避免疲劳破坏的风险。

钣金：通过应变能分析，发现后围板搭接处由于结构的突变导致局部应变能过大，此位置处的应力集中也比较明显，故此处特征抹平，减少扭转工况下的应力集中。如图12 所示。

图12 钣金优化

焊点：如图13 白色边框，延长轮罩外板后端，增加搭接面，同时两层焊改为三层焊，增加一个焊点，以增加传力路径，改变受力方式，分散焊点应力集中。

图13 焊点优化

经过以上优化，钣金损伤值由3.64 下降为0.076，损伤值降低48 倍，远小于某企业目标值1.0；焊点损伤值由0.7 下降为0.88，损伤值降低1.6 倍，小于目标值1.0，满足耐久性能要求。

5 总结

本文基于nCode 疲劳分析软件，对某SUV 车身疲劳进行分析研究，详细描述了从建立有限元仿真模型到疲劳分析的整个过程。

1）该分析采用多体动力学提取的VPG 载荷谱，经相关工程验证与实车试验实测路谱一致性较好；

2）为了解决某SUV 车身钣金和焊点疲劳损伤值过大问题，本文提出了一种改进的优化方案，使得钣金损伤降低48 倍，焊点损伤降低1.6 倍，满足某企业目标要求，有效解决了设计前期的疲劳问题，规避了疲劳开裂的风险；

3）结构优化是常用的优化手段，可为车身设计初期提供借鉴。