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基于仿真和试验的白车身疲劳技术研究*张建刚，王鹏，钱玉兰（潍柴动力股份有限公司上海研发中心，上海201114）摘要：利用车身模型进行仿真分析预测白车身疲劳薄弱环节，通过开发车身与标杆车身进行疲劳试验，进一步考核白车身薄弱环节并确定其疲劳寿命水平，从而获得最优的优化方案，同时验证仿真分析精度，最后通过优化再次进行疲劳试验验证。关键词：白车身；仿真分析；疲劳试验中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S2-0196-06Fatigue study of vehicle body in white based onanalysis and testZHANG Jiangang，WANG Peng，QIAN Yulan（Weichai Power Co.，Ltd.，Shanghai R&D Center，Shanghai 201114）Abstract：Make use of the body in white(BIW)model to simulate and analyze the weak link of the body fatigue.Bye using thedeveloped BIW and benchmark BIW for fatigue test,further check the weak link of thedeveloped BIW and determine it s fa-tigue life level,thus,obtain the optimal scheme,and verify the accuracy of the simulation analysis,finally,the fatigue test was veri-fied through optimization.Key words：body in white(BIW)；simulation analysis；fatigue test*收稿日期：2023-07-12；修订日期：2023-10-24车身是汽车驾驶的基础载体，承载正副驾驶员及内外饰零部件及附件的安装，其自身的结构强度在一定程度上决定了汽车的使用寿命。如何确定开发中车身的结构强度，达到设计开发要求，是开发人员在设计过程中必须思考的课题，其中白车身扭转刚度反映了白车身抵抗扭转载荷的能力，是车身重要的性能指标，对车身耐久性、稳定性、舒适性等具有十分重要的意义1-2。白车身的疲劳可靠性是其扭转刚度优劣的直观表现，直接影响到整车的生命周期及车辆的市场竞争力3。车辆实际行驶中，车身结构承受交变载荷作用，表现出来的断裂破坏大部分是疲劳断裂。疲劳破坏形成的机理是在零部件局部高应力区，较弱的晶粒在变应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展最终导致疲劳破坏4。车身结构的疲劳强度评价，由于载荷的选取及施加的频率是否合适，评价的准则如何界定等因素，导致其分析与评价缺乏客观性、科学性。商用车行业中，重卡车企多数都有自己的疲劳强度研发方法及试验与评价，都属于企业内部规范与企业技术机密，一般不会公开。而轻卡行业中各主机厂的疲劳强度研发多是参考标杆车对标设计，至于实际的疲劳强度水平，目前暂未开展相关的验证、分析与评价工作。实车在试验场进行疲劳强度验证是考核车身结构强度最直接最有效的方法，但是，要想把车身的所有薄弱环节都考察出来，非常不易实现，不仅要耗费巨大的人力、物力、财力，也不一定能够得到全面考察，因为涉及到实车试验时载重情况、选择的路况及里程、试验场道路实际情况、驾驶员操纵水平等各种因素，而目前计算机辅助分析技术（CAE）已经在汽车设计开发阶段广泛应用，通过输入一定的参数，能够准确地分析得到车身强度、刚度、模态等各项性能指标，并能预测车身存在的薄弱环节，所以可将试验场采集到的载荷谱、结合CAE预测分析结果，在试验室台架上，设计合适的试验方案进行试验法分析与评价5。试验室中进行疲劳试验，典型的就是在等幅交变载荷下的试验，常分为前扭和后扭。文中针对轻卡行业新开发车身疲劳第 40 卷 增刊 22023 年 12 月Vol.40S2Dec.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGNDOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s2.0252023年12月结构强度，在试验场采集载荷谱并经过迭代处理的基础上，通过理论计算得出基础载荷，运用有限元分析软件建立开发轻卡白车身的有限元模型，CAE仿真分析得到材料达到屈服强度时的动载荷，选定合理的载荷区间，对白车身进行了多次扭转疲劳分析，并通过实际台架疲劳试验进行验证仿真分析结果，从而制订优化方案并再次进行试验验证5。文中主要讨论车身后扭情况。1后扭刚度仿真模型的建立及计算分析1.1车身刚度仿真模型的建立对轻卡的白车身进行网格划分，得到轻卡车身的有限元模型，然后对其进行后扭刚度性能分析。此驾驶室的车身均为钣金件，料厚方向厚度远小于其他两个方向的厚度，需要对其各个零部件抽取中面，利用壳四边形单元和三角形单元进行网格划分，单元尺寸控制在10 mm左右，用RBE3-HEXA-RBE3进行焊点模拟6。车身有限元模型的单元数为241 940个，节点数为 266 156个，三角形单元比例为4.6%，悬置加载位置加入BUSH单元，1/2/3方向（即为X轴/Y轴/Z轴方向）的刚度为1 200N/mm。车身有限元模型如下图1所示。1.2载荷的确定基础载荷的确定：以理论计算确定试验基础载荷谱，结合仿真分析及复现道路载荷谱的大应力部位调试预加载载荷4。相比于某重卡车型的加载工况，求解轻卡驾驶室白车身在与重卡车型具有相当单位前后悬置长度扭转角情况下油缸加载载荷及位移。以重卡加载扭矩为5 kNm为参考，则重卡车型的单位前后悬置长度下扭转角重为：重=重L重=(M重K重)/L重=5 00043 214 2.018=5.73 10-2()/m式中：K重重卡后扭转刚度；L重重卡前后悬置间的距离；重重卡后悬置扭转角。令开发轻卡的与重卡车型的相近，即轻=重=5.73 10-2()/m，则轻为：轻=L轻 轻=1.335 5.73 10-2=(7.65 10-2)。则轻卡加载扭矩为：M轻=K轻 轻=7 732 0.076 5=591.57 Nm。则垂直载荷为：F=M轻S轻=591.57 1.210=520.8 N。左右后悬置施加的垂直载荷与左右后悬置受到的车身1/4重力叠加，共同作用于左右后悬置，如图 2所示。在理论计算的基础上，由于CAE仿真分析得到当加载365N时材料达到屈服极限，考虑到白车身配装前悬套管的加强作用，为实际试验初始调试阶段设置了CAE分析的加载载荷范围365675 N，可以大致预估出白车身的薄弱环节以及加载载荷范围。1.3计算分析台架试验固定结构需要在左右前悬固定点内置橡胶衬套，以释放部分自由度（绕x，z轴有12的转动角度）。仿真分析365，520，675 N这3种载荷下的扭转疲劳。以下介绍加载载荷为675 N时的分析结果。1.4分析结果扭转疲劳分析边界条件为前悬约束1，2，3自由度，后悬施加交变载荷7。分析结果显示：主要薄弱位置位于顶盖前部与左右侧围搭接圆弧部位及其下部的止口位置，左右侧围的A柱中下部截面突变部位及临近的门框止口位置，具体如图3所示。F加G/4F加G/4S约束1，2，3自由度F=675 N图3模拟分析薄弱节点图1白车身有限元模型图2载荷计算示意图F加施加的载荷；G/41/4车身的重力（a）模型约束（b）顶盖薄弱节点（c）左A柱薄弱节点（d）右A柱薄弱节点张建刚，等：基于仿真和试验的白车身疲劳技术研究-197机 械 设 计第40卷增刊22试验研究2.1约束与支撑试验采用四通道车辆道路模拟试验台，前悬固定，在前悬置支架约束，如图 4 所示。约束点为上支架与橡胶减振器的联结螺栓中点，试验时通过球铰将后悬置上支架连接在固定支架上，即每个约束点约束 3个平动自由度，释放绕y轴的转动自由度，绕x，z轴有15的转动角度。垫圈由钢垫圈和橡胶垫圈组成。由于橡胶垫圈的刚度（1 200 N/mm）比钢垫圈小，与全部使用钢垫圈来填充球铰间隙相比，使用橡胶垫圈能够释放出微小的x，y向位移，从而减少室白车身扭转工况的干涉。后悬通过整车振动控制系统控制油缸进行加载，油缸与后悬连接处布置有双向力传感器。后悬置支架加载，即将后悬置上支架通过球铰连接到加载油缸8，如图5所示。2.2应变片粘贴根据前期试验场采谱时应变片位置及仿真分析疲劳强度预测，试验前在A柱和B柱相应位置贴上应变片以监测和调试结构预加载应力，如图6所示，以使预加载的白车身薄弱环节应力达到持久疲劳强度100 MPa以上。2.3试验加载程序载荷谱在试验预加载阶段，开始依据驾驶室路试和仿真时薄弱环节的应力水平，将油缸载荷在365675 N范围内调整，使薄弱处的应力达到其材料的持久疲劳强度。油缸载荷调整到 650 N时，B柱应力首先达到持久疲劳强度以上，施加该载荷进行预加载，以消除结构和工艺应力集中4，循环次数为21 840次时，载荷减小速率已经超过了5%，结束预加载，按照表1循环加载进行试验。2.4试验结果开发车身在26.2万次以前出现了顶盖前横梁与侧围内板之间错动异响和顶盖前部与左右侧围搭接处胶线开裂现象，当载荷增加到1 040 N，总循环27万次之后车身开始出现多处开裂及扩展，直至试验结束，如图7所示，开发车身与对标车身的部分开裂位置试验结果，如表2所示。钢垫圈前悬支架橡胶垫圈支撑杆固定块杆端关节轴承钢垫圈力传感器支撑杆橡胶垫圈后悬支架杆端关节轴承锁紧螺母图4前悬约束结构图5后悬约束结构工况第1工况第2工况第3工况第4工况第5工况第6工况加载载荷/N6505205205201 0401 040频率/Hz112424循环次数/次21 84021 84186 00086 001200 000200 001262 000262 001919 0009 190 011 050 090表1加载工况应变片应变片图6应变片粘贴位置（a）4号开裂位置（b）6号开裂位置（c）7号开裂位置（d）8号开裂位置-1982023年12月2.5试验评价2.5.1疲劳试验评价准则试验终止的原则是：由于试验对象破坏和大变形导致力无法稳定施加并维持，具体来说，白车身疲劳试验时，出现以下3种现象之一即预示着白车身已经失效：力的减小速率增大迅速；位移的增加速率增大迅速；产生裂纹、断口扩展迅速，有影响安全的趋势。与说明通过加大位移来提供需要的激励力越来越难实现，最终结果就是，车身在试验台上扭转幅度越来越大，受到的激励力却是在不断变小，说明车身结构已经达到疲劳极限；产裂纹、断口扩展越来越迅速，说明薄弱位置的材料已经达到抗拉强度极限。2.5.2试验检测出了开发白车身的薄弱环节顶盖前横梁两端的工艺孔与侧围内板工艺孔之间有明显错动，判断此处存在结构上缺少约束，即缺少焊点（焊缝）或螺栓；顶盖与侧围搭接处，包括胶线开裂、焊点周围钣金开裂；A柱下端，包括钣金开裂以及焊点周围开裂；右侧B柱下端焊点周围开裂。将以上薄弱环节与CAE仿真分析得到的薄弱环节进行对比，结果基本一致，CAE仿真分析较为准确。2.5.3位移增大速率曲线开发车车身与对标车车身的位移增大速率曲线如图8所示。开发车车身26.2万次之后油缸加载位移显著增大，在32.8万次左右时，位移增大上升，速率为0.2 mm/min。对标车车身在 27.7 万次之后油缸加载位移显著增大，在35.4万次左右时，位移增大速率为0.2 mm/min。两车身继续增大控制位移，加载力已经无法恢复至规定值。2.5.4力幅值减小速率曲线开发车车身与对标车车身的力幅值减小速率曲线如图 8所示。当开发车车身在 32.8万次左右时，力幅值减小速率为94 N/min；当对标车车身在35.4万次左右时，力幅值减小速率为86 N/min。表2部分试验结果裂纹位置描述前风窗左上角顶盖与侧围搭接焊点周围钣金开裂且风窗右上角顶盖与侧围搭接焊点周围钣金开裂风窗右下角A柱外板止口焊点周围开裂左侧A柱下端车门密封条止口焊点周围钣金开裂右侧A柱下端截面突变处钣金开裂左侧A柱下端截面突变处钣金开裂拉杆天线安装长孔上、下端开裂开发车身裂纹编号6号7号8号10号11号12号18号开发车身循环次数278 440279 640279 640282 040285 640315 040315 040对标车身裂纹编号20号17号3号12号15号22号16号对标车身循环次数322 000313 000277 600294 400302 600337 000311 800次（e）10号开裂位置（f）11号开裂位置（g）12号开裂位置（h）18号开裂位置（i）20号开裂位置图7实车试验开裂位置250200150100500102030400位移增大速率/(mm/min)累积循环次数/万次10-3开发车对标车（a）位移增大速率曲线张建刚，等：基于仿真和试验的白车身疲劳技术研究-199机 械 设 计第40卷增刊22.5.5试验结果结合位移增大曲线及力幅值减小速率曲线，认为开发车车身在26.2万次之前出现的胶线开裂、钣金搓动异响为结构内应力所致，结构强度未受到较大影响；在27万次后车身钣金裂纹数量增加较快并扩展，在32.8万次后位移迅速增大而力迅速减小，认为试验对象的疲劳失效发生在接近27万次，确定车身的疲劳寿命为27万次，同理，对标车车身在27.7万次之后出现大量钣金开裂现象，确定其疲劳寿命为27.7万次。3优化方案针对开发车车身与标杆车车身存在的差距，进行了分析，并提出了优化方案。3.1结构差异分析经过分析对比可知，开发车车身与标杆车车身的差异主要是前者顶盖前边梁与侧围内板缺少螺栓连接，开发车车身模型增加螺栓连接，如图9所示。3.2仿真分析将最新的数据进行再次仿真分析，对顶盖前端与左右侧围搭接处重点关注。3.3优化方案试验结果按照优化方案重新制作一台白车身，按照同等试验条件与载荷谱进行加载试验，得出的位移增大速率曲线、力幅值减小速率曲线如图10所示。车身在循环29万次前出现了胶线开裂现象，未出现搓动异响；29.5万次后车身钣金裂纹数量增加较快并扩展，在35.7万次后位移迅速增长，力迅速减小，认为试验对象的疲劳失效发生在约 35.7万次时，确定车身的劳寿命为29.5万次，较优化之前的27万次增加了2.5万次，略超过对标车的27.7万次，验证优化措施有效。100806040200102030400力幅值减小速率/(N/min)循环次数/万次开发车对标车（b）力幅值减小速率曲线图8位移及力幅值变化速率曲线（a）开发车车身（b）标杆车车身（c）开发车车身模型增加螺栓连接顶盖前横梁与A柱连接螺栓保留顶盖前横梁与A柱连接螺栓去掉（d）有螺栓连接疲劳趋势云图（e）无螺栓连接疲劳趋势云图图9优化分析对比-2002023年12月4结论通过CAE仿真分析预测及实际试验测试，找出了白车身的薄弱环节，明确了白车身的疲劳寿命水平及与对标白车身的差距，获得了最优的优化方案，为后续的开发设计提供了优化思路，为轻卡、中卡乃至乘用车的疲劳寿命研究提供了借鉴。参考文献1 张东升，王璐雯，孙军，等.某轿车白车身扭转刚度的分析与结构优化 C/2019 中国汽车工程学会年会论文，上海，2019：1193-1197.2Sathlish Kumar P，Manikandan M，Mahendra N.Virtual durabilityanalysis of heavy commercial truck cabin for proving ground inputsJ/SAEINDIA International Mobility Conference and Exposition，2013.3Chiba Shinichi，Aoyama Kimihiko，Yanabu Kenji，et al.Fatiguestrength prediction of truck cab by CAEJ.Mitsubishi Motors Tech-nical Review，2003（15）：52-54.4 高云凯.汽车车身结构分析 M.北京：北京理工大学出版社，2006：172-193.5 高云凯，方剑光，谢明聪.框架式重卡驾驶室疲劳分析与评价 J.同济大学学报，2012，40（5）：721-728.6 聂文武，李福军.基于有限元仿真和试验的商用车驾驶室疲劳寿命研究 J.机械设计，2019，36（S2）：214-217.7 李伟，端木琼，李占芳.白车身弯扭刚度测试技术与评价方法 J.汽车工程师，2018（7）：44-45.8 邓承浩，范子杰，桂良进.轿车白车身扭转静刚度试验平台约束方案设计与开发 J.实验技术与管理，2012，29（1）：69-70.作者简介：张建刚（1979），男，工程师，硕士，研究方向：白车身轻量化结构、商用车车身结构强度及车身疲劳技术研究。E-mail：2001501005001015202530354005位移增大速率/(mm/min)累积循环次数/万次10-3（a）位移增大速率曲线100806040200力幅值减小速率/(N/min)1015202530354005累积循环次数/万次10-3（b）力幅值减小速率曲线图10优化后的位移、力变化速率曲线张建刚，等：基于仿真和试验的白车身疲劳技术研究-201