微型客车车身疲劳破坏cae仿真

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1、微型客车车身疲劳破坏CAE仿真:为解决微型客车在山区使用过程中后立柱和后门槛板等部件出现疲劳裂纹的问题，采用ANSYS和LS-DYNA对整车在实际使用条件下的应力分布及随时间的变化进行仿真.对关键部件进行疲劳寿命计算和分析，从中找到部件产生疲劳裂纹的主要原因；提出多种改进方法，并基于CAE仿真分析筛选出改动小、成本低、效果好的方案；根据改进部件的疲劳寿命预测和评价确定最终改进方案.己关键词：微型客车车身；后立柱；后门槛板；疲劳破坏；静载分析；瞬态响应分析；疲劳寿命分析:U469.ll;0346.2；0241.82A0引言某微型客车经常行驶在山区道路上

2、，由于装载及路面条件恶劣，车身多处出现疲劳裂纹，尤其以后立柱和后门槛板较为严重，见图1和2.为解决此问题，生产厂家对出现严重裂纹的部位进行多次改进与加强，花费高昂成本可结果并不令人满意.车身结构的疲劳裂纹与破坏问题是微型客车领域亟待解决的问题.目前，在汽车有限元疲劳分析颂域，美国等经过多年努力，已建立完成各自的分析方法和流程，在产品研发过程中发挥的作用越来越重要〔1〕;而我国对车身疲劳问题的研究与国外差距尚大，主要集中在理论研究和试验验证上［2］，且大多数是针对某个零部件的疲劳破坏的单独研究［3-5］，很少有文献把零部件放到整车中进行疲劳研究.针对上

3、述问题，本文结合实际项目，应用CAE仿真技术解决某微型客车在山区道路上出现的疲劳破坏问题.基于CAE仿真的微型客车疲劳破坏研宄可分为2个阶段：原车的疲劳破坏原因分析;改进方法的探讨与改进方案的评价.首先通过瞬态响应计算分析，得到车身各点应力随时间变化的历程；在此基础上，对关键部件进行疲劳损伤累积及疲劳寿命计算，探讨部件产生疲劳破坏的各种原因，找到问题的关键所在；右针对性地提出多种改进方法，限于硬件要求及瞬态计算时间较长，通过静载分析初步评价各方法的改进效果，结合工艺与成本等因素，选出切实可行的方案，再进行瞬态响应计算分析和疲劳寿命计算分析，确定最终改

4、进方案.1原车疲劳破坏原因分析1.1有限元模型建立为确保分析结果的精度，整车有限元网格的平均尺寸为12mm，采用壳单元离散；用梁单元模拟点焊和螺栓的连接；对称结构只建立右半部分有限元模型，左半部分通过镜像生成；对发动机、变速器和乘员等用质量点单元处理；对弹簧单元端点施加横向和纵向的位移耦合，使弹簧只在竖直方向变形.建好的整车存限元模型共存323133个单元，见图3.1.2原车瞬态响应分析瞬态响应分析的主要目的是仿真该微型客车在恶劣山区道路上行驶吋，车身各处应力分布及其随吋间的变化，并得到车身各点的vonMises应力随时间变化的历程曲线.微型客车在实

5、际运动中的应力状态较为复杂.以前，对复杂应力状态下的屈服条件己有很多假说，如最大正应力条件、最大剪应力条件、最大弹性应变条件、歪形能条件和弹性总能量条件等，其中vonMises提出的歪形能条件更接近试验结果.[6]他认为，当复杂应力状态的形状改变能密度等于单向拉压屈服时的形状改变能密度时，材料就幵始屈服，即vonMises的屈服条件为式中：ol,o2，o3为正应力分景；E??Shear为剪切弹性模景;C为单向拉压屈服时的形状改变能密度.车身产生疲劳裂纹主要是由于材料达到屈服条件，再经过不断的屈服积累而造成的.该车实际行驶的山区恶劣路面见图4,在瞬态计

6、算分析中采用鹅卵石路面模拟实际的行驶路面，见图5.用LS-DYNA软件计算瞬态响应，得到车身各点应力随时间变化的历程.图6为后门框总成（包括后立柱和后门槛板）在某时刻的vcmMises应力分布云图及A，B，C，D4点的vonMises应力随时间变化的历程曲线，以下分析结果中所提及的应力均指该种应力.这4个关键点代表后门框总成各个部位的最大应力处，并且C和D2点与实际疲劳破坏处基本一致，说明相同条件下应力较大的部位更容易产生疲劳破坏.4点的应力峰值集中在125~175MPa之间，比较接近该微型客车所用材料的屈服极限值180MPa，这些部位在扰动载荷〔7

7、〕的不断作用下，极有可能产生疲劳破坏.1.3关键部件疲劳寿命分析疲劳寿命是指结构在疲劳失效前所能承受的应力或应变循环次数.〔8〕应力幅值一定，并同时考虑平均应力对循环次数的影响时，SMITH-WATSON-TOPPER提出的疲劳寿命计算公式〔9〕为根据上述瞬态响应分析得到的车身应力随时间的变化历程，应用VPG软件读入瞬态响应分析的结果文件，设置材料参数后进行疲劳寿命计算，得到后立柱和后门槛板的疲劳寿命分布云图见图7.从图中可知：后立柱、后门槛板破坏部位和背门锁处的疲劳寿命分别为4.6121E+5次、4.8151E+5次、5.1244E+5次.在瞬态应

8、力响应曲线中选取周期变化明显且相对稳定完整的时间段作为疲劳寿命计算的周期，结合车辆在鹅卵石路面的行驶速度，可