某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计

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某商用车白车身模态分析及试验研究

某商用车白车身模态分析及试验研究摘要：本文采用有限元数值模拟方法，并结合试验研究的手段，对某商用车的白车身进行模态分析。

分析过程中，利用超声波检测技术获取车体结构的固有频率，通过有限元分析软件对车体结构进行数值模拟，得到车体结构的振型及固有频率，并与试验结果进行对比，验证数值模拟的可靠性。

最后，针对车体结构的振动问题，提出了一些改进措施，以提高其振动性能。

关键词：商用车；白车身；模态分析；有限元方法；试验研究；振动正文：一、引言白车身是指未安装任何车身部件、发动机和传动系的车身结构，它是整车研究开发中的重要部分。

在商用车研发过程中，白车身的研究和分析对于整车设计和制造具有十分重要的意义。

其中，模态分析是对车身结构进行振动分析的有效手段之一，旨在确定车辆在不同频率下的振动状态。

对于商用车而言，优化车身结构的振动性能可以有效提高车辆的运行平稳性和乘坐舒适性，降低噪音和振动对车辆的影响，从而提高整车的质量和性能。

本文通过某商用车白车身的模态分析和试验研究，验证其振动特性，并提出相应的改进措施，以提高车身结构的振动性能。

二、模态分析方法本文采用有限元数值模拟方法，通过有限元分析软件对车体结构进行数值模拟，得到车体结构的振型及固有频率。

具体步骤如下：1. 建立有限元模型：根据车体结构的实际情况，利用有限元建模软件（如ANSYS等）建立车体结构的有限元模型，包括车身前、中、后三部分，并设置合适的边界条件。

2. 确定振动模态：在模型中输入一个外部激励，利用有限元分析软件计算得到车体结构的振型及固有频率。

3. 验证模拟结果：利用超声波检测技术获取车体结构的固有频率，与有限元分析的结果进行对比，验证数值模拟的可靠性。

三、试验研究方法为验证数值模拟结果的可靠性，本文采用超声波检测技术对车体结构进行试验研究。

具体步骤如下：1. 选择检测仪器：选用超声波检测仪器，如PMUT、HIT、Elcometer等，进行非接触式的结构固有频率测量。

车辆白车身DFMEA分析范例

车身工程中心编制人：新严重度新频度新探测度新风险顺序数1零部件无法安装1车身数据未符合边界要求5按《白车身孔位描述书》和《零部件边界条件确认表》进行数据检查152车身无法焊装、车身运动干涉、车身异响、用户抱怨1三维数据检查未全面检查、运动校核未考虑实车精度、相关零部件未考虑到位5按《白车身自相关检查表》和《车身运动件运动校核检查表》进行数据校核6303整车外观效果差，无法满足客户需求，影响销售4设计间隙、面差不合理；装调不到位；公差分配不合理；定位方式设置不合理6参照相关车型合理设置DTS定义值，合理设置公差，合理设置定位方式6144数模校核，定位方案确定车身4增加模具费用，增加整车成本，影响利润1设计结构时未考虑后期开发车型的共用性5编制车身开发模块化说明，预先设计拓展车型结构方案6305零部件冲压起皱，翻边开裂，尖角争料，产品结构弱，易变形，尖角拉延破裂冲压负角，件拉延开裂，模具上修边刃口强度不足，影响车身性能5冲压SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构6120SE分析车身/制造6车身焊接操作性差，工人抱怨、生产率低，焊接效果差，影响车身性能5焊装SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，合理布置焊点位置及层次2407车身电泳底漆厚度不均匀、部分区域未充分覆盖底漆、车身锈蚀、影响整车寿命5涂装SE分析未到位，钣金结构不合理4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，保证涂装效果2408总装件无法安装；车身总装操作性差，工人抱怨、生产率低；零部件维修操作性差5总装SE分析未到位未分析可维修性4按《白车身SE审查报告》进行反馈及数模修改，合理设计钣金结构，合理考虑安装操作空间，进行安装虚拟验证2409影响用户乘车舒适性，影响内部载货空间，用户抱怨3未合理设计钣金结构，钣金侵占内部空间6进行CAE分析，在保证车身性能、安装结构的前提下尽量增大内部空间，可对比标杆设计7126初期确定目标值，后期按照执行，尽量加大内部空间车身/整车10影响用户乘车舒适性，影响内部装卸货方便性，用户抱怨3未合理设计钣金结构，未按人机要求设计6按人机要求设计数据，在保证车身性能、安装结构的前提下尽量改善，可对比标杆设计6108方案阶段确定各相关尺寸，保证后期数据满足要求。

硬件在环的轿车白车身结构分析与优化设计的开题报告

硬件在环的轿车白车身结构分析与优化设计的开题报告一、选题背景及意义随着汽车行业的发展，对轿车白车身（即未喷漆前的车身结构）的质量要求越来越高，白车身的硬件在环设计和优化也显得越来越重要。

硬件在环是指机械结构的环境适应性，即机械结构在各种环境条件下的可靠性、寿命和性能稳定性能力。

在轿车白车身的设计中，硬件在环因素是影响其质量和寿命的重要因素。

本课题将选用一种已有的轿车白车身结构进行分析与优化设计，通过分析硬件在环设计因素，加强其在各种环境下的适应性，提高车身质量和寿命，达到节约成本、提高竞争力的目的。

二、研究内容及目的本文将选取一种已有的轿车白车身结构进行研究，通过建立数学模型，对其进行分析与优化设计，从而提高其硬件在环适应性和车身质量，达到节约成本、提高竞争力的目的。

具体的研究内容包括：1. 研究各个环境因素对轿车白车身结构硬件在环设计的影响机理。

2. 建立轿车白车身结构的有限元分析模型，并进行分析。

3. 分析硬件在环设计因素，并优化其结构设计。

4. 通过性能试验验证优化设计的效果。

本研究的目的是：1. 探究轿车白车身结构硬件在环设计的影响因素及机理。

2. 研究轿车白车身结构的优化设计方法，提高其在各种环境条件下的适应性。

3. 提高轿车白车身结构的质量和寿命，降低生产成本。

4. 优化车身结构设计，提高产品竞争力，满足市场需求。

三、研究方法及流程本文主要采用以下研究方法：1. 理论研究法：对轿车白车身结构硬件在环设计的基本概念和原理进行深入理解和阐述。

2. 数学模型法：利用有限元分析方法建立轿车白车身结构的数学模型进行分析和优化设计。

3. 试验验证法：对优化设计后的轿车白车身结构进行性能试验，验证其硬件在环适应能力和优化效果。

研究流程如下：1. 调查分析市场需求，确定研究方向。

2. 对轿车白车身结构的硬件在环设计进行深入研究。

3. 利用有限元分析方法，建立轿车白车身结构的数学模型并进行仿真分析。

4. 分析硬件在环设计因素，并优化其结构设计。

基于虚拟样机技术的微型客车白车身疲劳寿命分析

［］６史敬灼．电动机伺服控制技术［．步进Ｍ］北京：出版社，０．科学２６０
第６期
阮晓亮等：基于虚拟样机技术的微型客车白车身疲劳寿命分析
１７９
动机、车身等子系统经各种力学铰链和减震弹簧、阻尼器及橡胶相应力和力矩的载荷时间历程，６条白车身载荷谱。共０载荷提取元件连接而成的复杂多体系统。基于动力学仿真分析平台点包括前悬架与车身相连处、副车架与车身连接处及板簧前、后Ａａ￣ａ，ｄｍＣｒ参考整车拓扑关系，按子结构建模技术，已有模板吊耳铰接处，在部分载荷谱，如图４所示。基础上通过输入该车型各组件的物理性能参数，括其质量、，包质心位置、惯性主轴、转动惯量、惯性积等即可得到整车多体系统动力学仿真模型。除白车身外，为更好的反映该车的底盘陛能，对前悬挂横向稳定杆和后板簧件均作柔性体处理，其他部件为刚体。最终建成整车虚拟样机模型，如图１所示。包括６３个部件，满载质量为１０ｋ。０ｇ８
析时，首先对白车身进行结构应力场计算，获取单位载荷下的弹性应力应变响应，然后用近似修正法将弹性响应修正至弹塑性响应，
２２时域路面生成模型和载荷谱的提取．
００Ｏ００
在载荷历程作用下参考汽车可靠『行驶试验方法（ＢＩ２７＿０中道路试验条对照材料的疲劳陛能数据和疲劳积累损伤理论，生Ｇ，１６８Ｊ）１９
机械设计与制造
ｌ６９文章编号：Ｏｔ３９（０２０ — １６０ｌＯ一９７２１）６０９ — ３ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ

某铝制乘用车白车身疲劳寿命计算

2018年第6期 AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY 汽辛仿真与‘10. 16638/ki. 1671-7988. 2018. 06. Oil某铝制乘用车白车身疲劳寿命计算夏德伟，刘丽霞，徐志强，齐飞(辽宁忠旺集团有限公司北京技术与发展中心，北京100020)摘要：对该款铝制乘用车白车身利用Hypermesh建立了其有限元模型，在此基础上结合六分力轮测得的短波路路况下的载荷谱数据，利用N code对该车进行了疲劳寿命计算。

在计算过程中，相比于通用的计算步骤，文中通过建立简化的悬架模型，提出了一个简化方法。

最后，根据计算结果指出在该类型乘用车设计中，针对疲劳需要重点关注的位置。

关键词：乘用车；疲劳计算中图分类号：U467文献标识码：B文章编号：1671-7988(2018)06-29-04The fatigue life calculation of the body-in-white of an aluminum passenger carXia Dewei, Liu Lixia, Xu Zhiqiang, Qi Fei(Liaoning Zhongwang Group Co.,Ltd Beijing Technology&Development Center,Beijing100020)Abstract: The finite element model of the white body of aluminum passenger car was established by using Hypermesh.Based on this,the load spectrum data of the short-wave road measured by six-force wheel was used to calculate the fatigue life of the car with Ncode.In the calculation process,compared with the common calculation steps,this paper presents a simplified method by establishing a simplified suspension model.Finally,according to the results of t he calculation,we point out the positions that need more attention for fatigue calculation in this type of passenger car design.Keywords: passenger car; fatigue calculationCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)06-29-04引言更换更轻质的白车身材料是新能源车发展的一种重要手段，铝合金因其轻质、可塑性强、回收性好等优良的性能被广泛使用。

新型车架的疲劳寿命预测及优化设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｈａｓｓｅｓｓｅｄｓｅｍｉ－ｔｒａｉｌｅｒｆｒａｍｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｉｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｎｉｇｎｇａｎｄｍｏｄｅｌｂｕｉＭｉｎｇｏｆｔｈｅｆｒａｍｅｔａｋｅｎ．Ｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒ￣，ｅｎＷｓａｃａｒｒｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｕｓｉｎｇＨｙｐｅｒｍｅｓｈｂｓｅａｄｏｎｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｃｃａｏｒｄｉｎｇｔｏ￣ｉｎｅｇｔｈｅｏｒｙｏｆｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｌｏａｄｉｎｇ，ｔｙｐｅａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｎｎｏｍｉｎａｌｓｔｒｅｓｓｅｔｍｈｏｄ．ＳｉｚｅｏｐｔｉｍｚｉｔｉａｏｎＷｓａａｎｄｌｉｎｅｒａｃｕｍｕｌｔａｉｖｅｄａｍａｇｅｒｕ／ｅｏｆＭｉｎｅｒｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｄｏｆａｔｉｎ￣ｌｇｆｉｅｐｒｅｄｃｔｉｏｎｉｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｏｎｉｐｒｏｖｅｄｔｈｔａｔｈｅｓｔｔｉａｃｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｆａｔｉｎｅｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｔｍｒｅｑｕｉｍｍｅｎｓｔ．

机械结构的疲劳特性分析与优化

机械结构的疲劳特性分析与优化在机械设计领域，疲劳是一个非常重要的概念。

疲劳是指由于反复循环加载而引起的材料或结构的破坏现象。

疲劳破坏是一种隐蔽性很高的破坏方式，经常在结构工作一段时间后才会出现，对机械结构的安全性和可靠性产生重大影响。

因此，分析机械结构的疲劳特性并进行优化，对于确保机械设备正常运行，延长使用寿命以及降低维修成本具有重要意义。

在进行机械结构的疲劳分析与优化之前，首先需要了解疲劳寿命的概念。

疲劳寿命是指材料或结构在特定载荷条件下能够承受的循环加载次数，即材料或结构在连续循环加载下不发生破坏的最大次数。

而材料或结构的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括材料性能、应力水平、载荷类型、环境条件等。

在疲劳寿命分析中，应力集中是一个重要的因素。

应力集中是指由于结构几何形状的不均匀性，使得结构的应力分布出现明显的集中现象。

应力集中会导致材料局部应力远远超过结构的平均应力，从而加速疲劳破坏的发生。

因此，在机械结构的设计中，需要合理设计结构形状，避免应力集中的出现，以提高结构的疲劳寿命。

此外，材料的选择也对机械结构的疲劳特性有着重要影响。

不同材料具有不同的疲劳性能，如金属材料的疲劳寿命通常比非金属材料短。

在选材时，需要综合考虑结构的工作条件、载荷类型以及预期的寿命要求等因素，选择适合的材料进行设计。

除了材料选择和结构形状设计外，载荷条件也是影响疲劳寿命的重要因素。

载荷可以分为静载荷和动载荷两种类型。

静载荷是指结构在静止状态下所受到的外力或外加载荷。

而动载荷是指结构在运动状态下所受到的外力或外加载荷。

静载荷对于机械结构的疲劳破坏一般影响较小，而动载荷则会加速疲劳破坏的发生。

针对机械结构的疲劳问题，工程师们提出了许多优化方法和技术。

其中一种常用的方法是使用有限元方法进行疲劳分析。

有限元方法是一种数值计算方法，通过离散化结构并对其进行求解，得到结构的应力和变形等重要参数。

通过有限元分析可以对机械结构的疲劳特性进行全面评估，并找出结构中的疲劳热点以及疲劳弱点，从而指导优化设计。

非承载式SUV白车身结构分析及优化

第26卷第2期2017年4月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol. 26 No. 2Apr. 2017文章编号：l〇〇6 - 0871(2017)02-0028-05DOI ： 10. 13340/j. cae. 2017. 02. 005非承载式SUV白车身结构分析及优化韩红阳，陈有松，徐颖，王树英(上汽集团商用车技术中心整车集成部，上海200438)摘要：以某全新开发的SUV非承载式车身为研究对象，建立V91车身有限元模型，并进行模态分析.为使车身1阶模态满足目标值要求，对车身进行灵敏度分析和截面刚度分析，并提出改进方案.经过优化，车身的1阶弯曲模态提升7. 8%，1阶扭转模态提升25. 7%.研究结果可为企业研发非承载式SUV车身提供参考.关键词：白车身；弯曲刚度；扭转刚度；断面刚度；灵敏度分析；模态频率中图分类号：U463.82 文献标志码：BBody-in-white structure analysis and optimization onbody-on-frame type of SUVHAN Hongyang,CHEN Yousong,XU Ying,WANG Shuying (Vehicle Integration Department, S A I C M O T O R C o m m e r c i a l Vehicle Technical Center, Shanghai 200438,China) Abstract：Taking a new design of the body of body-on-frame type of SUV for the research example, the finite element model is built for V91 body and the modal analysis is performed on it. To make the first order mode meet the requirement of target value, the sensitivity and cross section stiffness is analyzed and an improvement scheme is proposed. By optimization, the first order bending mode of vehicle body is increased by 7. 8% and the first order torsion mode is increased by 25. 7%. The research results can provide reference for enterprise to develop body of body-on-frame type of SUV.Key words ：body-in-white ；bending stiffness ；torsion stiffness ；cross section stiffness ；sensitivity analysis; modal frequency0引言越野车或大型SUV —般采用非承载式车身和承载式车架，车身与车架通过悬置软垫连接.虽然车架是主要承载部件，但白车身也承担很大一部分载荷，其作用不能忽略.[1]白车身模态参数表征车身的固有频率和振动特性，会影响乘坐舒适性，还会对车身寿命、刚度、强度、可靠性造成影响.[2]白车身模态是汽车NVH传递函数、动态频率响应的基础，其重要性不容忽视.为避开外部激励和发动机及传动系统的激励，需在整车开发前期分析和优化白车身固有频率，保证白车身模态性能满足整车技术规范要求.[34]本文以全新开发的某非承载式SUV车身V91为研究对象，首先对竞品车进行模态试验和有限元仿真对标，以保证有限元建模方法的准确性; 在此基础上，建立V91车身的有限元模型进行自由模态分析.为使整体模态满足目标值要求，对V91 白车身进行灵敏度和截面刚度分析，并提出优化方收稿日期=2017-02-06修回日期=2017-03-24作者简介：韩红阳（1987 —)，男，江苏盐城人，硕士，研究方向为车身轻量化，（E-mail) hanj+ixing@ foxmail. com第2期韩红阳，等：非承载式SUV白车身结构分析及优化29案.经过改进，白车身模态性能满足目标值要求.1竞品车的仿真与试验对标1.1竞品车车身仿真模型的建立及模态分析使用HyperMesh前处理软件对竞品车白车身进行网格划分.车身件大多数是钣金件，一般采用壳单元模拟.本文采用四边形单元和H角形单元划分网格，网格的平均尺寸为8 mm.为保证仿真模型和计算结果精度，对单元质量进行控制，单元质量参数见表1.膨胀胶和结构胶使用Solid单元模拟，点焊使用Solid和RBE3单元模拟.表1网格质量参数Tab. 1 M e s h quality parameters最大翘曲角/(°)15最大长宽比4最小雅可比0.6最大单元长度/mm4三角形最大扭曲角/(。

机械结构中的疲劳性能分析及优化设计研究

机械结构中的疲劳性能分析及优化设计研究第一章：引言机械结构在工程中扮演着至关重要的角色。

然而，由于长期使用、负载外界环境以及材料缺陷等因素，这些结构经常出现疲劳损伤。

因此，对机械结构中的疲劳性能进行分析并采取优化设计措施变得至关重要。

本文将探讨机械结构中的疲劳性能分析及其优化设计。

第二章：机械结构的疲劳性能分析2.1 疲劳定义疲劳是指由于反复加载和卸载所造成的损伤，通常是在低应力下发生的。

这种损伤可以引起机械结构的部件失效，导致不可逆的损坏。

2.2 疲劳损伤的影响因素机械结构中疲劳损伤的影响因素包括负载、材料、设计、加工和环境等因素。

负载是指机械结构承受的力和力矩，包括静载和动载。

材料的影响因素包括强度、韧性、硬度、脆性和热稳定性等。

设计和加工对机械结构的疲劳性能有着重要的影响，包括结构形状、材料厚度、接口设计和安装等。

环境因素包括温度、湿度、腐蚀和辐射等。

2.3 疲劳损伤的评估方法疲劳损伤的评估方法包括模拟试验和有限元分析。

模拟试验通常是通过施加一系列不同频率和幅度的载荷来模拟机械结构的实际工作环境。

有限元分析是使用计算机软件来模拟机械结构的应力分布和变形，以评估疲劳性能。

第三章：机械结构疲劳性能优化设计3.1 设计考虑机械结构的疲劳性能优化设计应从以下角度出发：材料选择、结构设计、加工工艺和使用环境。

选择合适的材料是提高疲劳性能的重要因素之一，如高强度低合金钢等。

结构设计应避免出现应力集中区域、切口、腐蚀和氧化等。

加工工艺应保证结构的表面光洁度和尺寸精度。

使用环境的控制也是降低机械结构疲劳损伤的一种有效方法。

3.2 材料优化材料优化的目的是提高机械结构的疲劳极限。

有些材料比其他材料更可靠，因此要针对具体应用选择最合适的材料。

在材料选择上，要结合机械结构的设计和使用环境进行考虑。

3.3 结构优化结构优化的目的是降低应力集中区域，避免切口、腐蚀和氧化。

优化设计应充分考虑机械结构的实际应用，使用CAD设计软件和有限元分析软件来模拟和分析机械结构的应力分布和变形情况，提高机械结构的疲劳强度。

某轿车白车身模态分析与优化

｛（ｙｆ）＝ｆｘＹｚｅ：Ｈ，，，）６（，，）ｌ｜＇
（）３
其中：ｑ。，））为矢量振幅；｛（＇ｚｂ， ∞ 简谐运动的角频率。将其代人（）得：２，【一∞ 】ｂｅｐｉｉ＝）Ｋ（ｘ（ｔＯ）ｏ）（）４（）５
果精确度降低；删去对整体性能影响不大的小部 ③
件，但保证总体白车身质量与实际质量相差不大。现代轿车多采用全承载式车身，体骨架结构由车
车体结构件及覆盖件焊接而成】白车身的焊接工。
中图分类号：４Ｕ６文献标识码：Ａ文章编号：０ — ４４２ｌ）３０２－３１６４ｌ（０１０－０６００
ＭｏｌａａｙБайду номын сангаасｉｎｄｏｉｉａｉｎｏａｒｓｂｏｙ—ｉｄａｎｌｓｓａｐｔｍｚｔｏｆｃｄｎ—ｗｈｔｉｅＸｉａｙ，ＦｎａａＺｈｏ－ｉｅｇＬｎ—ｆｎａｇ，ＷａｇＨｏｇｉｏ，Ｈｕｎ－ｂｎｎ－ｘａｉＹａｏ
Ａｓｒｃ：Ｆｎｅｍｎｍｄｌｎｙｉｔｅｒｉｄｃｓｄｂｅｙ．ｄｆｉｌｎｍｅｃｒｏｙｉ－ｈｔ（Ｉｂｔｔｉｉｅｔｏａａｓｏｉｕｓｒｆａｎｔｅｅｔｏｌｆａ’ｂｄ－ｎｗｉＢＷ）ａｔｄｅａｌｓｈｙｓｓｅｉｌｎｉｅｍｅｄｏａｓｅ
研穷与分析

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某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计
作者：湖南工业李明李源陈斌
摘要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命
分析系统MSC．Fatigue 对该型商用车白车身进行S-N 全寿命分析，得其疲劳寿命分布与
危险点的寿命值。采用结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。
关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化

前言
在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994 年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳
强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，
清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002 年，上海汇众汽车制造
有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理
论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004 年，
同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估，精确的有限元模型和可靠
的材料疲劳数据是必需的，另外获得准确的实际运行工况下的道路输入载荷也非常关键。
但由于客观条件的限制，国内这方面的研究非常有限，理论分析的多，对局部零部件研究
的多，把车身整体作为研究对象的很少。

本文以某型商用车疲劳寿命仿真分析及优化提高为内容，研究中，首先对白车身结构几何
进行网格划分；之后使用MSC.Patran/Nastran 对白车身结构进行静态仿真；然后导入
MSC.Fatigue 对白车身结构进行疲劳寿命仿真。在分析的基础上采用结构优化设计的方法
优化结构、合理选择材料等，提高白车身结构的静态力学性能与动态疲劳寿命。

1 疲劳寿命计算方法
疲劳寿命计算需要载荷的变化历程、结构的几何参数,以及有关的材料性能参数或曲线[4]。
图1为基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程。
图1 基于有限元分析结果的疲劳寿命分析
用有限元方法计算疲劳寿命通常分为两步：第一步是计算应力应变响应。第二步是结合材料
性能参数，应用不同的疲劳损伤模型进行寿命计算。疲劳寿命的预测精度既依赖于应力应变
响应的正确模拟，也依赖于预测模型的合理使用。

本文以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础，S-N方法用名义应力或局部应力预测实际构件
的疲劳寿命，可以选择的应力参数有最大主应力、von-Mises 应力、Tresca 应力等。损伤
累积计算可以使用常规的Palmgren-Miner线性法则，能进行Good-man 和Gerber 平均应力
修正，也能进行考虑表面加工和表面处理影响的寿命计算。这一方法对于低应力高周疲劳寿
命预测比较有效。特别是对于一些复杂的零部件或焊接件，直接使用实测的“零部件S-N”
曲线通常能获得合理的寿命估计。

2 白车身有限元模型的建立
驾驶室白车身含有零件数目众多，并且常含有复杂的曲面，用网格准确描述其几何特征的难
度较高，复杂的曲面会产生许多网格上的问题，如单元畸变、网格细小、网格失真等诸多问
题。对数目繁多、曲面复杂的零部件划分高质量的网格工作量大、难度高。经网格质量检查
后，不合格网格数为162 个，网格失效百分比为0.0%，整体上网格的形状较为理想，网格
质量较高，为计算结果的准确性提供了一个必要条件。图2 为白车身整车的有限元模型。
图2 白车身整车的有限元模型
除此之外，白车身各个部件之间是通过焊接连接起来的，两部件在焊接处具有完全相同的
自由度，为刚性连接，可用一维rigid 单元模拟表示。在整个白车身模型中焊点多达上万
个，需利用rigid 面板在焊点位置逐个施加。并且焊点与焊点、焊点与约束之间很容易出
现过约束的情况。图3 为焊点图。

图3 为白车身焊点全图
商用车静态典型工况为全扭曲工况模拟白车身两前轮同时着地时，主副驾驶员重力、卧铺
人员重力以及车身自重对白车身产生静态弯曲作用的情况。

全扭曲工况模拟白车身两前轮均悬空时，主副驾驶座上相对反向的作用力对白车身产生静
态全扭曲作用的情况。此工况下主驾驶座从下至上均布于两个连接座椅的部件上施加了
1000N 的力，副驾驶座从上至下均布于两个连接座椅的部件上施加了1000N 的力。全扭曲
工况两前轮均悬空，车身前端两个与前轮连接位置均无约束；后端两处约束表示车身与车
架的连接，同样限制了X、Y、Z 三个方向的自由度，约束节点位置固定。图4 为车顶向下
视图全扭曲工况载荷与约束在空间上的位置关系。经Nastran 分析后，主后杠仍为主要应
力部件，最大应力达403MPa，不仅超过材料屈服极限，而且超过了材料抗拉极限。图5
为全扭曲静态分析的应变云图，最大变形为19.13mm。
图4 全扭曲工况载荷与约束空间上位置关系
图5 全扭曲静态分析应变云图
3 白车身有限元模型的疲劳分析

利用上述的加载静态仿真分析的有限元应力结果，设置载荷信息并关联有限元工况，导入
MSC.Fatigue 中计算。图6 为全曲工况动态疲劳分析寿命云图，与车架的连接处的疲劳寿
命达不到107 次的应力要求，图7 为寿命最差节点列表，可见最差节点在经受7.885E4 次
应力循环时便产生疲劳破坏，不符合疲劳寿命的要求。需经过结构优化提高这些节点的疲
劳寿命。
图6 全扭曲工况动态疲劳分析寿命云图

图7 全扭曲工况动态疲劳分析最差寿命节点列表
在车身结构优化改进中，通常采用的方法有改变零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的
位置、增加加强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板或采用拼焊板材料的方法。采用改变
零件的局部形状尺寸、调整局部零部件的位置要对原有的零部件进行改动，并有可能影响
到全车整体的布局，在制造工艺上，有可能要调整模具，成本高，一般不宜采用；增加加
强筋或辅助零件、整体采用较厚的钢板的方法，适用于形状并不十分复杂的零部件。使用
拼焊板技术不用改变零部件的位置，根据车身不同部位强度的要求，合理使用一些不同强
度的材料，不需要焊接加强筋，减轻车身的质量，减少车身零件的数量，是最优的结构优
化方法。由于拼焊板可以一次成形，减少了大量冲压加工的设备和工序，缩减了模具的安
装过程，简化车身制造过程。

经全扭曲工况动态疲劳分析后，白车身的最低疲劳寿命次数为10E+5.88，低于10E+7 次，
需要进行疲劳寿命的优化。图8 列出了疲劳寿命最差的一些点，显示了疲劳寿命存在问题
的区域。该疲劳寿命问题为局部问题，可对疲劳出现局部疲劳寿命问题的部件更换材料。

图8 静态结构优化后疲劳分析寿命云图
更换的材料为MANTEN_MSN，其弹性模型为E=2.034E+5，抗拉极限为σ b=600MPa，更换材
料后，最差寿命点的疲劳寿命从原来的10E+5.8751 优化为3³10E+7。全扭曲工况的动态疲
劳寿命得到了改善。
图9 全扭曲工况疲劳寿命材料优化
4 小结

本论文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析
系统MSC．Fatigue 对该型商用车白车身进行S-N 全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险
点的寿命值。采用结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。完成了白车
身动态疲劳寿命的优化。最终优化后，白车身各工况整车的疲劳寿命均修正至107 次循环
以上。

5 参考文献
[1] 陈龙，周孔亢. 车辆驾驶室疲劳强度试验与计算，机械工程学报，1994，30（5）：23-29.
[2] 孙凌玉，吕振华. 利用计算机仿真技术预测车身零件疲劳寿命，汽车工程，2001，23
（6）：389-391.
[3] 王成龙，张治. 疲劳分析在汽车零部件设计中应用，上海汽车，2002，8：10-13.
[4] 彭为，靳晓雄. 基于有限元分析的轿车零件疲劳寿命预测，汽车工程，2004，26（4）：
507-509.
[5] 高云凯. 汽车车身结构分析. 北京：北京理工大学出版社，2005.
[6] 谭继锦. 汽车结构有限元分析. 北京：清华大学出版社，2009.(end)

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