基于CAE的车身疲劳分析

车身结构的耐久性是汽车的重要指标之一，对耐久性的评估一般是用实际的样车进行试验室台架疲劳试验以及试验场进行实车的可靠性道路试验，试验的方法虽然是一种必不可少的可靠的方法，但必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题，然后解决问题，但这在开发过程中已经滞后，如果问题严重，还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用，增加开发成本. CAE 疲劳分析技术是在没有实物样车的工程化设计阶段，用CAE 的方法，在虚拟环境下，预测车身的疲劳性能，尽可能在设计阶段预测和解决车身可能存在的疲劳问题.

本文中的分析方法是采用模拟试验室的方法对车身进行开发设计阶段的耐久性评估，主要利用MSC Adams，MSC Nastran 和MSC Fatigue 3 个软件进行联合仿真，预测车身的疲劳耐久性能.

一、模型

1.1 车身模型

车身模型采用的BIW 模型，由碰撞模型直接修改得到. 由于在试验室台架试验中，根据试验工况不同，需要使用BIW 或整车进行试验，所以在CAE分析时，也对应使用BIW 和整车两种模型. 在分析中，利用MSC Adams 软件，把作动器的载荷转换到底盘与车身的连接点上，因此分析时不需要加入底盘模型，而整车模型也是通过在BIW 模型上进行配重而得到，即在BIW 基础上加入车门、发动机、座椅、乘员等质量单元形成的Trimmed Body 模型.为了较好地模拟焊点处的受力及疲劳强度，在该模型中焊点以ACM 单元模拟. 整车扭转工况使用Trimmed Body 模型，其余工况为BIW 模型.

1.2 底盘模型

底盘模型使用MSC Adams 建立，用于计算在试验条件下，在轮心受到作动器作用时底盘系统施加在车身各安装点上的作用力谱.

二、 分析工况

该疲劳分析模拟车身疲劳台架试验，台架试验共有7 个工况，分别是前悬上下振动、后悬上下振动、前悬制动、后悬制动、前悬侧向力、后悬侧向力和整车扭转，其中制动工况又分向前制动、向后制动.

三、分析方法

3.1 分析载荷

该分析中采用Inertial Relief（惯性释放）方法定义模型约束，以模拟车身悬浮在空气中通过四个车轮对其作用的情况.

车身上共有14 个安装点，每个安装点作用Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz 6 个分力. 在静力分析中，只需要计算模型在单位载荷作用下的应力分布即可；但在疲劳分析中，则需要根据不同的加载点、计算工况，利用MSC Adams 计算得到相应的载荷曲线.

3.2 静力分析

在静力分析中，需要计算BIW 模型和Trimmed Body 模型在每个单位载荷下的应力分布，由于底盘与车身有14 个连接点，因此每个模型需定义84 个静力分析工况. 由于该模型较大，如果将所有工况集中计算，会导致输出的结果文件过大，因此将该模型工况拆分，并输出.XDB 格式结果文件，该格式文件能在MSC Fatigue 中反复导入.

在该静力分析中，由于只考虑材料的线弹性特性，其塑性特性将在疲劳分析中得到修正，因此可采用通用材料属性.

该静力计算的目的是得到单位载荷下的应力分布，并作为疲劳计算的一个输入参数.

3.3 疲劳分析

在疲劳分析中，对应不同的工况，如前悬上下振动，导入相应的静力分析结果，如前悬8 个安装点共48 个分力静力结果，然后导入该工况下每个静力工况对应的疲劳载荷曲线. 该载荷曲线由MSC Adams 计算得到. 图2 是车身左前TOP-MOUNT 安装点对底盘的反作用力.

MSC Fatigue 自带一个种类较齐全的材料数据库，在没有自己的疲劳材料数据库的情况下，可以根据已知的材料弹性模量E 和抗拉极限UTS 在该数据库中找到对应的材料牌号.

疲劳分析的主要参数有：疲劳分析方法：Strain-Life (Crack initiation) Method；塑性性能修正方法（Plasticity Correction）：Neuber；名义应力修正方法（Mean Stress Correction）：SWT(Smith-Watson-Topper)；疲劳寿命累计方法（Life Summation）：Miner’s rule；应力/应变结果类型（Stress/Strain Combination）：Max. Abs. Principal；表面质量/表面处理（Finish/Treatment）：None；强度分析结果比例因子（Load Magnitude）：1.1.

3.4 分析结果

经过计算，该白车身在7 个疲劳工况下的疲劳寿命均高于目标值. 图3 是前悬上下振动工况中疲劳寿命云图，其最低寿命为1.22E+07 次循环.

四、 结论

利用MSC Adams，MSC Nastran 和MSC Fatigue进行联合疲劳仿真，可以省去在有限元模型中建立复杂底盘模型的工作，借助MSC Adams，计算出在轮心处施加强制位移时车身上14 个悬架安装点的反作用力，并以此作为车身疲劳计算的输入载荷；利用 MSC Adams 模型，可以避免有限元方法在模拟阻尼器时，在高频率方面的一些缺陷，使载荷更真实；用软件方法模拟载荷较为简单的台架疲劳试验，是车身开发中的一种可行的疲劳预测方法，在开发中是非常重要的一种方法.

更多MSC Fatigue疲劳分析相关内容请访问专题：MSC Fatigue疲劳分析面面观