portant;">在汽车设计中,白车身强度、疲劳寿命都是评价结构可靠性及耐久性的重要标准,白车身静态强度仿真计算在开发前期能较快将结构高应力风险区域进行暴露,但在汽车开发过程中往往存在准静态强度无法直接预测的开裂现象,此时使用疲劳耐久仿真手段进行前期预测及评估更为必要,车身结构80%以上的失效是疲劳引起的,为此对白车身结构提出疲劳强度设计与分析十分重要。
portant;">01疲劳仿真概述1.1什么是疲劳
portant;">疲劳是零部件在循环应力或循环应变作用下.在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
portant;">1.2疲劳仿真的优势
portant;">在汽车研发过程中,工程师需要根据汽车的性能目标对车身结构进行优化,如果在研发过程中对产品的疲劳耐久性采用试验方式进行验证,那么会大大增加开发成本和开发周期,而且对实验设备有一定的限制条件。若采用虚拟仿真技术对产品的疲劳耐久性进行评估,则可以大大的节约开发成本,且容易获得计算资源,也可以迅速的对优化方案进行验证,推进开发进度缩短开发周期。
portant;">
portant;">1.3疲劳仿真的影响因素载荷
portant;">应力
portant;">在零部件疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数称为疲劳寿命。表示这种应力(应变)水平S和标准试样疲劳寿命N之间关系的曲线称为材料的S-N曲线。所以获取准确的应力值也是疲劳仿真的关键。
portant;">材料
portant;">材料的屈服强度和疲劳极限之间有一定的关系,一般来说,材料的屈服强度越高,疲劳强度也越高。所以需要定义材料本身特性。
portant;">1.4如何解决仿真与实验的差异
portant;">仿真是实验的前提,而试验又是对仿真的验证,二者的关系是相辅相成的。仿真实验最基本的步骤是建模,建模的过程就涉及到很多理论工作和经验结论,且仿真结果是在一个特定模型下的计算结果,所以仿真与试验之间存在一定误差是必然的。对于如何减少仿真与实验的误差,可以从以下几个方面解决:
portant;">PART02疲劳仿真载荷提取
portant;">进行车身及地盘零部件疲劳寿命计算首先要获取部件真实载荷。针对疲劳载荷提取的问题,西门子工程咨询团队提供了两套解决方案:
portant;">方案1:通过在试验路或试验台上对部件进行工况试验,获取部件或系统载荷真实载荷;
portant;">方案2:利用仿真技术,通过系统的外部载荷,对系统进行多体仿真或有限元仿真计算得到部件载荷,当然,仿真模型的准确性需要用实验标定。
portant;">现今,多体仿真已被确立为一项可靠的道路载荷计算技术。为了解决不同层次的模型复杂性以及测量数据可用性的问题,将使用多种方法从部件级悬架载荷到整车载荷。在整车载荷预测范畴中,SiemensPLMSoftware提供了两种不同的方法:一种方法为数字路面法,是一种纯粹的有限元方法;另一种方案是Virtual.LabMotion时域波形复现(TWR)软件的混合路面法。
portant;">混合路面载荷预测技术路线
portant;">数字路面法:需要在软件中详细准确的搭建出多体疲劳轮胎模型、多体车辆模型、3D路面模型及驾驶员模型。
portant;">混合路面法:允许工程师使用试验测量结果,并通过一致使用的方式将数据传递到CAE环境。此方法有助于提供真实的道路载荷预测,且避免了数字路面法带来的一些复杂性和成本问题。混和路面载荷预测有以下优点:
portant;">准确预测底盘部件和车身的耐久载荷
portant;">避免复杂且昂贵的轮胎和数字路面建模
portant;">在建造样车之前发现并解决车辆性能问题
portant;">根据前代车型数据预测下代车型的道路载荷
portant;">提供一致使用的方法将测试数据传递到CAE环境
portant;">可进行车身不受约束的车辆仿真,得到更准确的载荷
portant;">通过复现测试工况和准确预测部件载荷,可降低耐久性试验的次数
portant;">PART03焊接疲劳分析
portant;">焊接连接是工业领域上非常常见的结构连接方式,在结构设计中具有非常重要的地位,因此焊接的结构强度和疲劳强度都非常重要。汽车工艺中常用的焊接工艺分为两种:点焊和缝焊。下面详细介绍一下西门子工程咨询团队对焊点疲劳和焊缝疲劳的解决方案。
portant;">3.1焊点疲劳
在汽车装配过程中电阻点焊是主要的连接方法。点焊是将两个或两个以上的金属板材压在一起,并通过电流将板材连接起来。典型的例子是白车身结构,包含数千个点焊连接。焊点的质量及焊点的位置对焊点的疲劳性能有重要的影响。SimcenterPLMSoftware对于焊点疲劳提供了两种方法:传统的基于力的方法和基于应力的方法。
portant;">传统的基于力的方法(LBF)
有限元网格:粗糙的NVH焊点模型(HEXA,CWELD或CBAR)
有限元软件计算焊核上的力和力矩;
中解析表达式(Rupp方法)得到焊核和影响区的径向应力(radialstress);
疲劳软件中基于Rupp-SN-curve计算损伤;
优点:网格粗,计算快,直接利用NVH模型;
缺点:应力对网格灵敏度高,对网格质量要求高;
portant;">基于应力的方法
有限元网格:详细焊点模型washer网格(至少有一个ring,一个ring里至少有5个elements);
焊接的两个钣金要保持平行,否则会引入多余的力矩,对应力影响很大;
基于精细化焊点模型计算出应力;
预测精确的疲劳寿命;
优点:精度高
缺点:网格精细,计算速度慢;
portant;">3.2焊缝疲劳基于名义应力
portant;">从壳单元网格上读取主应力
portant;">查找具体的SN曲线(标准焊缝系列得到)
portant;">具体的SN曲线需要焊接几何及加载条件
portant;">使用壳单元有限元网格(焊缝几何不被模拟)
portant;">壳单元模型的焊缝其焊接处的局部应力不能被计算→一般从焊缝相邻的单元读取应力
portant;">名义应力法典型的标准焊接类别
portant;">SimcenterDurability软件可识别的焊缝类型如下:
基于局部应力(RxMS方法)
portant;">使用较好的象征性的3D网格模拟焊缝几何
portant;">通过几何读取应力
portant;">查找焊缝的SN曲线(RxMS专用曲线)
portant;">在板材交汇和焊接表面,模型具有恒定的缺口半径尺寸
portant;">焊缝具有单一的材料属性
portant;">采用的是S-N方法
portant;">材料属性是通过试验反算得到
portant;">考虑了平均应力和离散性的影响
portant;">PART04振动疲劳分析
portant;">当疲劳路面为激励共振路面时,车辆在一定速度下,加载频率显著提高,就必须考虑其动力响应。动态载荷会引起共振(局部共振,整体共振),从而发生振动的结构疲劳。所以在高于结构固有频率的载荷下进行疲劳损伤评价时,为了考虑结构振动引起的疲劳破坏,需要进行结构在动态载荷下的动态响应分析。由振动引起的疲劳问题技术路线可以分为:时域振动疲劳分析和频域振动疲劳分析(随机PSD和谐波频谱)。
portant;">4.1时域振动疲劳分析
portant;">时域疲劳可以通过静应力分析或者模态瞬态法进行分析;其中模态瞬态法一般用于需要考虑共振对疲劳的影响,载荷的加载频率接近系统的共振频率;对于时域振动疲劳问题,我们基于Motion3D给出以下解决方案:
●采用系统级疲劳分析方法
●Motion计算载荷:模态参与因子
●Durability中计算疲劳损伤
●不需要软件的转换,同时也不需要数据的切换。一切工作都可在Simcenter3D中进行。避免人为的错误。
●即考虑了低频载荷的作用,也考虑了高频振动因素的影响
portant;">4.3时域分析与频域分析的关系
portant;">PART05疲劳仿真应用案例5.1菲亚特-耐久性虚拟验证inkMacSystemFont,"">
portant;">项目挑战:
portant;">成功的关键:
portant;">实施成果:
portant;">5.2奔驰-耐用性标准化过程项目挑战:
成功的关键:
实施成果:
portant;">5.3尼桑-基于测试的耐久性工程项目挑战:
seline;font-family:-apple-system,"font-size:16px!important;">Externalaccesstothecasestudy:
seline;font-family:-apple-system,"font-size:16px!important;">