CN115017751A - 一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法；包括基于路谱的车身连接点载荷谱分析、基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析、基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程的螺栓窜动判定、全路面螺栓窜动次数统计，综合分析给定一种评价螺栓窜动的量化指标；通过本发明的方法，进行结构改进或螺栓性能的改进，再次计算全路面螺栓窜动次数的统计并与原始指标对比，考核改进效果，通过在悬臂式结构件零件设计阶段计算判定螺栓窜动次数，来判断悬臂式结构件螺栓松动的风险，并提出有效的改进措施，避免后期车身悬臂式结构件紧固螺栓发生螺栓松动故障问题而改动，缩短开发周期，降低研发成本，提升产品设计质量。

Description

一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法

技术领域

本发明属于汽车开发CAE仿真技术领域，具体涉及一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法。

背景技术

车身上附属的安装结构很多，包括：蓄电池、DCDC、电子电器设备等，许多结构需要与车身连接，不可避免的连接后成为悬吊(悬臂)形式的结构。此类结构形式容易引起共振现象，不仅对结构的损害大，同时也容易导致螺栓连接的失效，造成螺栓的松动，甚至断裂。在可靠性试验进程中或试验后的检查中，经常发现此类结构的紧固螺栓松动的现象，若产品开发过程的该阶段发现问题，改进空间小、难度大、成本高、且严重拖延产品的开发周期。

传统方法仅仅在产品设计阶段进行经验型的紧固件选型，进行校验的载荷输入均为理想状态下的理论计算，准确性远远满足不了复杂的工程实际结构，不能反映复杂结构的详细位置，无法进行螺栓松动情况的量化评估，且无法进行结构改进的效果验证。

近年来，随着乘用车开发周期的缩短，对开发各环节提出严峻挑战，需要各专业提前介入，利用先进的技术手段保证产品质量，在项目平台车阶段对性能进行评估显得尤为重要。在车身结构设计初期对悬臂式结构件结构紧固螺栓进行基于实际载荷的松动风险的评估，对于缩短开发周期、提高风险识别的准确性、提升开发效率有极大的帮助。

现有技术公开了一种螺栓松动寿命预测方法，对不同位移振幅等级下的螺栓松动程度进行监测，将各个位移振幅下剩余预紧力各个阶段数据汇总，参照疲劳研究中材料S N曲线，绘制成不同松动情况下初始预紧力剩余百分比，振动位移幅值寿命(D N)曲线。通过螺栓松动累积机理，建立螺栓松动线性累积模型。通过试验测量特定螺栓的D N曲线及表达式，利用位移幅值松动寿命(D N)曲线和螺栓松动线性累积模型，对螺栓松动寿命进行预测。预测方法是通过监测不同振幅等级下的预紧力，而绘制成为振动位移幅值寿命(D N)曲线。现有技术还公开了一种螺栓松动监测装置及螺栓松动监测方法，磁性垫片的第一端部设置有螺栓孔，所述第一端部通过所述螺栓孔套设于螺杆上，所述第一端部夹设在所述螺栓的螺栓头与所述待连接部件之间且所述磁性垫片与所述螺栓具有周向同步位移，或所述第一端部夹设在所述螺母与所述待连接部件之间且所述磁性垫片与所述螺母具有周向同步位移；所述磁性垫片的第二端部伸出所述螺栓头或所述螺母，所述第二端部设置有用于穿设所述钢丝线的钢丝孔，所述钢丝线的尾端固定连接所述信号发射装置，当所述螺栓松动时，所述螺栓或所述螺母带动所述磁性垫片同步周向运动，并拉动所述钢丝线，所述钢丝线触发所述信号发射装置发送螺栓松动信号。监测方法通过设计制作特有的装置，利用该装置特定功能来测试螺栓的松动。

现有技术还公开了一种机车转向架螺栓松动故障检测方法，机车转向架螺栓松动故障检测测试平台搭建由机车转向架螺栓松动故障检测测试平台由信号发生装置、动力输出装置、检测件、信号采集装置、信号分析装置、螺栓拆装装置六部分组成；搭建机车转向架螺栓松动故障检测测试平台，采用加速度传感器获取机车转向架螺栓松动状态特征信息，由时频特征提取技术提取机车机车转向架螺栓松动状态敏感特征量，通过模态区间误差分析方法对敏感特征量进行了模态区间化，通过模态区间最小二乘支持向量机模式识别方法，对机车转向架螺栓松动状态进行了识别。检测方法通过加速度信号的采集，由时频特征提取技术提取机车机车转向架螺栓松动状态敏感特征量，通过模态区间误差分析方法对敏感特征量进行了模态区间化，通过模态区间最小二乘支持向量机模式识别方法，对机车转向架螺栓松动状态进行了识别。

但是，上述方法存在载荷输入条件不准确，无法考虑详细的结构连接位置，无法进行结构改进的校验等缺陷。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于路谱与模态瞬态响应分析仿真的乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，以解决现有技术中载荷输入条件不准确，无法考虑详细的结构连接位置，无法进行结构改进的校验等缺陷以及计算结果不准确的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，包括以下步骤：

A、基于路谱的车身连接点载荷谱分析；

B、基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析；

C、基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程的螺栓窜动判定；

D、全路面螺栓窜动次数统计。

进一步地，步骤A，具体为：基于试车场路谱，搭建整车多体模型，采用虚拟迭代方法提取出车身连接点的载荷谱。

更进一步地，以实际试车场四个车轮轮心六分力路谱力信号为输入，搭建整车多体动力学模型，应用虚拟迭代方法提取出白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号。

进一步地，步骤B，具体为：基于车身连接点的载荷谱，悬臂式结构件搭载上全内饰白车身模型，之间的连接螺栓采用刚性弹簧，进行模态瞬态动态分析，提取出刚性弹簧的全路面纵向和两个径向内力响应谱。

更进一步地，包括以下步骤：

B1、以白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号为载荷输入条件；

B2、以全内饰白车身网格模型，搭载要评价的悬臂式结构件总成网格模型，悬臂式结构件总成与白车身网格之间的螺栓连接采用刚性弹簧单元连接；

B3、计算基于模态上述网格模型自由模态的瞬态动力学响应分析，得到螺栓刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号。

进一步地，步骤C，具体为：将每个时刻的刚性弹簧全路面内力响应谱样本，进行公式判定，如螺栓径向合力*摩擦系数＜螺栓径向内力合力，则视为窜动1次，反之视为无窜动。

更进一步地，判定依据为：螺栓预紧力减纵向载荷外力后，乘摩擦系数，得到的力值为螺栓窜动的临界值，如螺栓纵向载荷外合力大于该临界值，则视为螺栓窜动1次；反之，则视为螺栓不窜动。

更进一步地，将螺栓刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号中所有样本点均按照以上判定依据进行判定，得到相应的判定次数结果。

进一步地，步骤D，具体为：全路面所有时刻样本进行统计，包含试验场每个不同路面的窜动次数之和，与所有路面乘响应圈数对应的窜动次数总和，即为最终判定结果。

更进一步地，将统计结果分别按照不同路型归类累积统计、全试验里程累积统计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用车身CAE技术对螺栓单元的外载荷进行提取，进而根据相应准则判断螺栓是否发生窜动以及窜动次数；基于实际的道路载荷谱、应用有限元技术、考虑结构的振动性能，能够准确的反映出详细结构不同位置的螺栓窜动情况。并以某一量化的形式将该情况反映出来，准确反映出同一结构不同螺栓，不同结构间螺栓窜动情况趋势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明主要实施步骤流程图；

图2车身全内饰有限元模型，悬臂式结构件有限元模型及二者之间螺栓连接刚性连接器建模示意图；

图3a-图3b是本发明涉及到的模态动态响应分析输入信号及加载示意图；

图4是本发明螺栓窜动判定标准示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明公开了一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，包括以下步骤：

1、基于路谱的车身连接点载荷谱分析；

2、基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析；

3、基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程的螺栓窜动判定；

4、全路面螺栓窜动次数统计。

其中，基于路谱的车身连接点载荷谱分析包括：基于试车场路谱，搭建整车多体模型，采用虚拟迭代技术提取出车身连接点的载荷谱。

基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析包括：基于车身连接点的载荷谱，悬臂式结构件搭载上全内饰白车身模型，之间的连接螺栓采用刚性弹簧，进行模态瞬态动态分析，提取出刚性弹簧的全路面纵向和两个径向内力响应谱。

基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程的螺栓窜动判定包括：将每个时刻的刚性弹簧全路面内力响应谱样本，进行公式判定，如螺栓径向合力*摩擦系数＜螺栓径向内力合力，则视为窜动1次，反之视为无窜动。

全路面螺栓窜动次数统计包括：全路面所有时刻样本进行统计，包含试验场每个不同路面的窜动次数之和，与所有路面乘响应圈数(试车场规范整个试验历程)对应的窜动次数总和，即为本方法的最终结果。

本发明通过上述步骤进行不同结构改进方案的结果验证对比，查看结构或方案的对比优劣性和改进效果。进行结构改进或螺栓性能优化选型后，再次执行上述过程，得到的计算结果与原始方案对比，查看改进效果，为设计提供依据。

本发明克服了现有技术存在的有技术的载荷输入条件不准确，无法考虑详细的结构连接位置，无法进行结构改进的校验等缺陷，计算结果不准确问题。

为达到上述目的，本发明基于实际的道路载荷谱、应用有限元技术、考虑结构的振动性能，能够准确的反映出详细结构不同位置的螺栓窜动情况。并以某一量化的形式将该情况反映出来，准确反映出同一结构不同螺栓，不同结构间螺栓窜动情况趋势。

如图1所示，本发明使用实际试车场路谱应用多体动力学模型和虚拟迭代技术得到车身连接点处的载荷谱作为下一步工作的输入条件；使用车身连接点载荷谱并结合全内饰车身与悬臂式结构件总成有限元模型，应用模态瞬态动态分析得到悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程作为下一步工作的输入条件；基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程时间历程数据进行的螺栓窜动判定以及全路面螺栓窜动次数统计作为一次分析的计算结果；查看结果，识别最危险螺栓、对螺栓松动影响最大路型、全里程的螺栓窜动次数程度；应用上述流程，进行不同结构改进方案的结果验证对比，查看结构或方案的对比优劣性和改进效果。

实施例1

基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析包括以下内容：以实际试车场四个车轮轮心六分力路谱力信号为输入，搭建整车多体动力学模型，应用虚拟迭代技术，提取出白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号，作为下一步工作的载荷输入条件。

基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析包括以下内容：以白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号为载荷输入条件；基于ABAQUS/strandard软件平台，以全内饰白车身网格模型，搭载要评价的悬臂式结构件总成网格模型，悬臂式结构件总成与白车身网格之间的螺栓连接采用刚性弹簧单元连接，应用connector连接器中bushing连接类型，如图2所示。计算基于模态上述网格模型自由模态的瞬态动力学响应分析。

首先，应用*frequency关键字抽取结构模态(频率范围可根据需要自行选择)，接下来，基于模态结果应用*modal transient dynamic关键字求解模态瞬态动态响应分析，应用*output关键字中CTF卡输出得到螺栓connector连接器刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号，输出信号的分辨率要大于载荷输入信号的分辨率，作为下一步工作的载荷输入条件，如图3所示。

基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程时间历程数据进行的螺栓窜动判定包含以下内容：螺栓窜动的判定定义：螺栓预紧力减纵向载荷外力后，乘摩擦系数，得到的力值为螺栓窜动的临界值。如螺栓纵向载荷外合力大于该临界值，则视为螺栓窜动1次；反之，则视为螺栓不窜动，如图4所示。图4中，F3>(F1-F2)·μ，其中，F1为螺栓装配预紧力，F2为外载引起的螺栓轴向力，F3为外载引起的螺栓径向力，μ为被连接件之间摩擦系数。

将结构中每个螺栓刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号中所有样本点均按照以上判定依据进行判定，得到相应的判定次数结果。

全路面螺栓窜动次数统计包含以下内容：将上述统计结果分别按照：不同路型归类累积统计、全试验里程累积统计。

不同路型归类累积统计结果表明：在哪种特定路型中，螺栓窜动趋势最明显，根据路型的频率特征，为后续的改进方向提供依据。

全试验里程累积统计结果表明：整个试验过程下来，以该方法作为标尺，螺栓共多少次窜动。结构中不同的螺栓进行对比，判断哪个结构位置的螺栓窜动的趋势最明显，即哪个结构位置连接最危险，为后续的改进方向提供依据。应用excel数据统计工具，将刚性螺栓单元的受力响应历程原始数据导入处理，得到不同路型归类累积统计、全试验里程累积统计结果，如表1所示。

表1

进一步地，采用上述流程得到的结果。针对同一结构的结果：识别同一结构中哪个路面对螺栓窜动的影响最大，识别同一结构最危险的螺栓具体位置，识别全里程范围内螺栓窜动程度；针对不同结构的结果：对比结构间螺栓防松性能的优劣性，对比改进方案或性能因素的螺栓放松性能提升效果等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、基于路谱的车身连接点载荷谱分析；

B、基于车身连接点载荷谱的悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程分析；

C、基于悬臂式结构件紧固螺栓受载时间历程的螺栓窜动判定；

D、全路面螺栓窜动次数统计。

2.根据权利要求1所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，步骤A，具体为：基于试车场路谱，搭建整车多体模型，采用虚拟迭代方法提取出车身连接点的载荷谱。

3.根据权利要求2所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于：以实际试车场四个车轮轮心六分力路谱力信号为输入，搭建整车多体动力学模型，应用虚拟迭代方法提取出白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号。

4.根据权利要求1所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，步骤B，具体为：基于车身连接点的载荷谱，悬臂式结构件搭载上全内饰白车身模型，之间的连接螺栓采用刚性弹簧，进行模态瞬态动态分析，提取出刚性弹簧的全路面纵向和两个径向内力响应谱。

5.根据权利要求4所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

B1、以白车身所有连接点FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个自由度的力/力矩信号为载荷输入条件；

B2、以全内饰白车身网格模型，搭载要评价的悬臂式结构件总成网格模型，悬臂式结构件总成与白车身网格之间的螺栓连接采用刚性弹簧单元连接；

B3、计算基于模态上述网格模型自由模态的瞬态动力学响应分析，得到螺栓刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号。

6.根据权利要求1所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，步骤C，具体为：将每个时刻的刚性弹簧全路面内力响应谱样本，进行公式判定，如螺栓径向合力*摩擦系数＜螺栓径向内力合力，则视为窜动1次，反之视为无窜动。

7.根据权利要求6所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，判定依据为：螺栓预紧力减纵向载荷外力后，乘摩擦系数，得到的力值为螺栓窜动的临界值，如螺栓纵向载荷外合力大于该临界值，则视为螺栓窜动1次；反之，则视为螺栓不窜动。

8.根据权利要求7所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于：将螺栓刚性弹簧单元的纵向及两个径向的力响应时间历程曲线信号中所有样本点均按照以上判定依据进行判定，得到相应的判定次数结果。

9.根据权利要求1所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于，步骤D，具体为：全路面所有时刻样本进行统计，包含试验场每个不同路面的窜动次数之和，与所有路面乘响应圈数对应的窜动次数总和，即为最终判定结果。

10.根据权利要求9所述的一种乘用车车身悬臂式结构件螺栓松动判定方法，其特征在于：将统计结果分别按照不同路型归类累积统计、全试验里程累积统计。

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