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汽车结构件疲劳耐久分析（五）：常见子系统和零件疲劳耐久分析方法之二

2018-04-24 16:26:42·  来源：模态空间  
　
一个典型的疲劳耐久分析，一般包括5个部分：几何模型、材料参数、载荷数据、有限元分析和疲劳耐久寿命分析。
一个典型的疲劳耐久分析，一般包括5个部分：几何模型、材料参数、载荷数据、有限元分析和疲劳耐久寿命分析。

 
基于零件的载荷数据、材料数据和几何模型进行有限元分析，获得应力和应变分析结果，再结合载荷数据和材料的疲劳耐久特性进行疲劳耐久寿命分析。
 
以白车身为例，根据试验场加速道路耐久试验测试取得的路谱，通过多体动力学模型的计算，获得车身硬点上载荷数据的时域信号。同时，根据有限元建模规范，建立起白车身的有限元模型并赋予材料参数。

 
之后采用有限元软件进行线性计算，获得应力、应变的结果，再使用疲劳分析软件结合载荷与材料疲劳耐久特性，对应力、应变结果进行雨流计数和损伤计算，从而完成寿命分析，预测潜在的失效位置。

 
这样一个分析看起来并不复杂，不过其中还是有些值得深究的细节。
 
首先是计算时域下的应力幅数据的方法。通过多体动力学模型计算得到的硬点载荷是一段力-时间的时域数据，使用有限元方法系统对这段时域数据的响应最直接的方法就是瞬态直接法，不过这种方法会需要大量的计算资源，即使是在现在这样一个CPU卖白菜价的年代也是要花费大量计算时间的分析工作。

 
为了简化这个过程，工程师想出了各种办法。一种是模态叠加法，基于模态的正交性和展开定理对动力学响应进行近似求解。对于线性系统，这是一种高效率高精度的计算方法， 可以考虑结构共振效果，且不用存整个结构的所有时间历程。但是是概念上比较复杂，建模也要相对复杂，需要建立起较为准确的整车Trim Body模型并计算模态参与因子文件。

 
另一种方法就是线性叠加法，这种方法有一个假设，即结构行为是静态的，当载荷频率远小于结构第一阶模态频率时，通常认为是有效的。用这种方法，每个连接点的载荷时间历程(包括加速度载荷时间历程)都可以输出。对应于每个连接点， 在有限元模型中施加“单位”载荷工况进行分析。疲劳分析用载荷连接点的时间历程数据来按比例放大每个单位载荷。对于每一个分析时间步，将所有放大后的单位载荷对应的应力叠加加起来就得到该时刻的真实的应力状态。一旦每个单元在任意时刻的真实应力计算得到之后，疲劳分析软件就可以用这些应力分析整个载荷周期的疲劳寿命。这种方法的优点是计算方便，文件小，概念上也易于理解。缺点是当结构自然频率和载荷所包含的频率接近时，精度可能不够。

 
各种应力分析方法都有自己的优缺点，在分析时应根据实际情况选择合适的方法并谨慎的进行验证。
 
其次是对于汽车上的结构件，常常会在连接的位置，比如焊点、焊缝、螺栓等位置出现失效。在这些地方，由于局部应力集中、材料在焊接过程中受热影响等发生了材料性质的变化、制造误差等等原因，无法使用金属材料的E-N曲线或者S-N曲线来进行疲劳寿命的预测。并且，对于汽车结构件这种大型零部件，对每个焊点、焊缝、螺栓等结构件都进行非常详细的应力分析是不现实的，而且过分精细的分析会带来的高昂费用并缺乏广泛的适用性。在工程上，现在采用较多的方法是结构应力法，即根据有限元软件计算出的连接结构所承受的力和力矩以及连接结构的几何特征来计算连接结构的应力状态，这实际上是一种名义应力。再通过一系列试验来获得结构应力与焊点寿命之间的S-N曲线。

 
应用这种方法最大的难点就在于获得真实可靠结构应力参数和对应的S-N曲线，以焊点为例，同样的载荷下，受剪切和受拉伸时的疲劳耐久寿命相差甚远而在实际的道路上，结构中的焊点受到的往往是复合载荷；不同厚度的材料焊接在一起也会有不同的疲劳耐久寿命。这些就给结构应力的计算提出了很大的挑战，需要通过大量的试验结合工程实际来摸索出一套结构应力参数来模拟不同厚度的材料焊接在一起时的结构应力以及相对应的S-N曲线。

 
最后是对疲劳耐久分析结果的解读。对于计算获得的结果，需要小心谨慎的进行对待和解读，需要根据疲劳耐久的分析假设、工程实际来对结果进行判断。
 
在实际的工程开发中，出于效率和成本的考虑，往往会采用恒幅载荷来近似替代前面这种通过RLDA获得的道路随机变幅载荷。这种替代是基于Miner准则，对随机变幅信号进行损伤累积后，根据损伤等效原则将其简化成恒幅信号来进行的。这种方法假设系统是线性的，损伤也是可以线性累积的。通过这种方法，各大公司都形成了自己进行疲劳耐久分析的所谓标准工况，在设计的早期提高疲劳耐久分析的效率，跟试验室进行加速试验是一个原理。
疲劳耐久分析 有限元分析 道路耐久试验
 
比如对于白车身，就可以通过这种方法将路面载荷分解成扭转、转向、加速制动等工况来进行疲劳耐久分析，对于副车架、后桥、控制臂等底盘零件也有类似的分析方法。
现在的疲劳耐久分析已经流程化体系化，这往往会导致工程师的一种错觉，就是只要根据流程，画好网格，赋好材料，把边界条件输入电脑，电脑就会给出一个寿命结果啦，做的好的公司还有一系列自动化流程工具来加速这个过程。
 
在这里，我要引用一篇十几年前的论文中的观点：
 
“计算机不可能，而且永远不可能，成为人类知识、经验、远见、灵感、创造力、独立思维、以及自古以来的勤奋的替代品。” 
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