CN109029884A - 一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车检测领域，尤其涉及一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法。一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法包括以下步骤：步骤一：有限元建模及模型置信度验证；步骤二：耐久振动信号采集及处理；步骤三：共振规避；步骤四：振动疲劳寿命CAE分析。能有效预测新开发悬臂结构件的振动疲劳寿命，具有较高的精度。相比传统的“结构设计‑试验验证‑结构改进‑再试验”的耐久性开发流程很大程度上提升了效率并节约了大量的重复试验费用。

Description

一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法

技术领域

本发明涉及汽车检测领域，尤其涉及一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法。

背景技术

汽车行驶中路面的随机激励会引起结构的强迫振动，汽车构件开裂损坏的情况中，大部分是疲劳损坏，悬臂结构件的振动疲劳失效尤为突出。而载荷的累积效应是产生疲劳损坏的主要原因，因此结构的疲劳力学性能至关重要，特别是对路面激励比较敏感的悬臂类构件在前期开发过程中进行疲劳耐久分析显得尤为重要。

悬臂结构件疲劳耐久分析的本质就是考察在实际工况下载荷的累积破坏是否小于设计要求。目前已有的悬臂结构件疲劳耐久分析方法是在所承载部件的重心处施加各种设计工况下的静态载荷(通常施加重力场计算循环次数)，进行疲劳耐久CAE分析。目前疲劳耐久分析方法及开发流程存在以下局限性：

第一，载荷不合理，分析工况凭经验设定，载荷合理性难以把握。

第二，没有考虑振动的因素，只能通过静态分析近似类推振动疲劳寿命。由于悬臂结构其自身固有频率相对较低，路面激励峰值频率一般出现在低频，因此很容易与发动机怠速激励、路面激励等产生共振，从而加剧失效。而现有的分析方法恰恰没有考虑振动的因素，仅是从提升静态强度的安全系数来粗略保障其疲劳耐久性能，因此，现有方法的分析误差较大，合理性不足。

第三，目前的汽车可靠性及耐久性开发流程(结构设计-试验验证-结构改进-再试验)是很原始的一种试错的方法，在取得好的效果前，已经延误了产品的开发节点，提高了开发成本，极大削弱了产品的竞争力。

基于上述情况，本发明给出了一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法。该方法以与试验测试模态对标准确的有限元模型为基础，频率响应分析获取单位激励的应力结果，再施加测试获取的各种试验路面的加速度功率谱密度为激励，结合材料的SN曲线，通过损伤累积的原理计算分析得更符合实际路试状态下的汽车悬臂结构件的疲劳寿命，精度较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法。

为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法包括以下步骤：

步骤一：有限元建模及模型置信度验证；

步骤二：耐久振动信号采集及处理；

步骤三：共振规避；

步骤四：振动疲劳寿命CAE分析。

所述步骤一中有限元建模及模型置信度验证为：采用整体式建模思路，悬臂结构承载件和所承载部件共同参与分析，并对结构件建立详细网格模型。将有限元模态分析的结果与实物的模态测试结果进行对比，各阶有限元分析模态都能在测试模态结果中找到相对应的模态，且频率和振型基本吻合，说明该有限元模型的已经具有较高可信度，为后续疲劳寿命分析提供模型基础。

所述步骤二中耐久振动信号采集及处理的方法为：对耐久试验道路单个循环中每个路面的振动激励信号进行采集，在悬臂结构的安装点位置布置加速度传感器，测量三向(X\Y\Z)的加速度时域信号，并进行数据处理，调整及去除不合理的数据(漂移、毛刺等)，将采集到的各种试验路面的时域信号通过傅里叶变换，转化为加速度功率谱密度，作为振动疲劳分析的激励条件。

所述共振规避为：通过步骤一有限元分析的模态结果与步骤二加速度频域信号峰值对应频率比较，判断是否会导致共振问题。若构件的固有频率与路面振动激励信号峰值对应的频率接近，即结构很有可能会发生共振破坏，因此在设计期可通过改变结构刚性或质量以改变固有频率达到共振规避。

所述振动疲劳寿命CAE分析方法为：以步骤一中对标准确的有限元模型为基础，施加单位激励，通过频率响应分析获取单位激励应力状态。再施加步骤二中测试获得的各路面加速度功率谱密度为激励，结合材料疲劳SN曲线(测试或数据库获取)，计算获得耐久试验中结构件的实际振动疲劳寿命(循环次数)。

本发明的有益效果在于：

1.能有效预测新开发悬臂结构件的振动疲劳寿命，具有较高的精度。相比传统的“结构设计-试验验证-结构改进-再试验”的耐久性开发流程很大程度上提升了效率并节约了大量的重复试验费用。

2.通过结构固有模态与路面激励频域曲线拟合，能准确分析故障件的失效原因并有针对性的改进，判断并有效地使悬臂结构件避开共振，能精准地预估改进结构的疲劳寿命。

3.规避现有分析方法中的载荷施加不合理的问题。

4.能够预判后续衍生结构的振动疲劳性能。

附图说明

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的汽车悬臂结构件振动疲劳分析方法流程示意图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

参见图1。

实施例一：

本发明公开了一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法包括以下步骤：

步骤一：有限元建模及模型置信度验证；

步骤二：耐久振动信号采集及处理；

步骤三：共振规避；

步骤四：振动疲劳寿命CAE分析。

所述步骤一中有限元建模及模型置信度验证为：采用整体式建模思路，悬臂结构承载件和所承载部件共同参与分析，并对结构件建立详细网格模型。将有限元模态分析的结果与实物的模态测试结果进行对比，各阶有限元分析模态都能在测试模态结果中找到相对应的模态，且频率和振型基本吻合，说明该有限元模型的已经具有较高可信度，为后续疲劳寿命分析提供模型基础。

所述步骤二中耐久振动信号采集及处理的方法为：对耐久试验道路单个循环中每个路面的振动激励信号进行采集，在悬臂结构的安装点位置布置加速度传感器，测量三向(X\Y\Z)的加速度时域信号，并进行数据处理，调整及去除不合理的数据(漂移、毛刺等)，将采集到的各种试验路面的时域信号通过傅里叶变换，转化为加速度功率谱密度，作为振动疲劳分析的激励条件。

所述共振规避为：通过步骤一有限元分析的模态结果与步骤二加速度频域信号峰值对应频率比较，判断是否会导致共振问题。若构件的固有频率与路面振动激励信号峰值对应的频率接近，即结构很有可能会发生共振破坏，因此在设计期可通过改变结构刚性或质量以改变固有频率达到共振规避。

所述振动疲劳寿命CAE分析方法为：以步骤一中对标准确的有限元模型为基础，施加单位激励，通过频率响应分析获取单位激励应力状态。再施加步骤二中测试获得的各路面加速度功率谱密度为激励，结合材料疲劳SN曲线(测试或数据库获取)，计算获得耐久试验中结构件的实际振动疲劳寿命(循环次数)。

实施例二：

本方法所述的CAE分析模型包括详细的悬臂金属结构件、其所承载部件，下文以某车型的冷凝器为例子进行阐述。

根据所述悬臂结构件及其所承载的部件的结构信息建立详细的离散化模型，并按实车状态建立相应的装配连接关系；

1.为各部件赋予材料参数(主要为弹性模量、泊松比和密度、阻尼)。

2.进行模态分析，与实测模态进行对标，必要的话可修正模型，主要为所承载部件的材料参数，连接关系，使仿真结果与实测的模态结果在频率值和振型上一致。实测模态结果为48.7Hz，仿真结果也为48.7Hz，且振型均为风扇罩壳的呼吸模态，对标准确。

3.在对标好的模型的基础上，采用单位激励进行频率响应分析，输出各个频率下的应力分布结果，作为后续振动疲劳分析的分析输入。

4.利用单位激励频率响应分析的应力结果进行疲劳分析，施加耐久试验中实测的各种路面功率谱密度曲线及材料SN曲线，模拟耐久试验循环过程：综合路面包含360个大循环，每个大循环内部包含各种路面小循环次数。从而获取结构件基于耐久试验路面的真实疲劳寿命。分析结果显示原方案振动疲劳寿命为能完成118大循环。

5.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，其特征在于，汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法包括以下步骤：

步骤一：有限元建模及模型置信度验证；

步骤二：耐久振动信号采集及处理；

步骤三：共振规避；

步骤四：振动疲劳寿命CAE分析。

2.根据权利要求1所述的一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，其特征在于，所述步骤一中有限元建模及模型置信度验证为：采用整体式建模思路，悬臂结构承载件和所承载部件共同参与分析，并对结构件建立详细网格模型。将有限元模态分析的结果与实物的模态测试结果进行对比，各阶有限元分析模态都能在测试模态结果中找到相对应的模态，且频率和振型基本吻合，说明该有限元模型的已经具有较高可信度，为后续疲劳寿命分析提供模型基础。

3.根据权利要求1所述的一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，其特征在于，所述步骤二中耐久振动信号采集及处理的方法为：对耐久试验道路单个循环中每个路面的振动激励信号进行采集，在悬臂结构的安装点位置布置加速度传感器，测量三向(X\Y\Z)的加速度时域信号，并进行数据处理，调整及去除不合理的数据(漂移、毛刺等)，将采集到的各种试验路面的时域信号通过傅里叶变换，转化为加速度功率谱密度，作为振动疲劳分析的激励条件。

4.根据权利要求1所述的一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，其特征在于，所述共振规避为：通过步骤一有限元分析的模态结果与步骤二加速度频域信号峰值对应频率比较，判断是否会导致共振问题。若构件的固有频率与路面振动激励信号峰值对应的频率接近，即结构很有可能会发生共振破坏，因此在设计期可通过改变结构刚性或质量以改变固有频率达到共振规避。

5.根据权利要求1所述的一种汽车悬臂结构件振动疲劳分析的方法，其特征在于，所述振动疲劳寿命CAE分析方法为：以步骤一中对标准确的有限元模型为基础，施加单位激励，通过频率响应分析获取单位激励应力状态。再施加步骤二中测试获得的各路面加速度功率谱密度为激励，结合材料疲劳SN曲线(测试或数据库获取)，计算获得耐久试验中结构件的实际振动疲劳寿命(循环次数)。