基于汽车内外因影响的结构强度分析策略 -行业资讯

　　1前言

　　汽车的结构设计是一项系统工程。传统汽车结构设计着重于其要完成的功能，形象比喻就是“轮子加沙发”，在可操控情况下完成载人载物运输的功能。而现代汽车设计在完成运载功能的同时要求安全、舒适、操控灵敏、低成本，甚至要把握寿命期限，控制设计寿命的概率。

　　研究汽车在载荷作用下的强度，其试验和有限元分析已经成为了很大的一个技术门类，对汽车强度给出数值模拟结果，与同类试验对比，综合判断强度是否合格，对设计给出关于强度性能的评价，承担着设计把关和验证角色。而如果将结构本身作为强度内因研究，将载荷作为强度外因研究，就牵扯到设计与分析试验不同专业人员的密切合作，当设计人员会应用分析试验手段，或当分析试验人员充分了解了设计意图，就是CAE在汽车工程领域作用**的时候，目前正在发展进步中。

　　2概念和理论

　　强度是一个广义概念，包括极限静态强度，动载瞬态强度，疲劳强度等。强度的概念，是指金属材料在外载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度按外力作用的性质不同，还可以分类为屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、扭转强度等。强度中疲劳强度的概念，是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下，出现断裂破坏的现象。疲劳裂纹的萌生包括六个微观过程：位错、屈服、滑移、滑移带反向屈服、裂纹萌生、裂纹扩展。其中形成一定的微观屈服区是其关键过程，疲劳极限其实是微观屈服区的临界应力。

　　汽车强度直接影响汽车的功能和耐久性。强度性能好，就会赢得用户，是汽车的关键性能之一，非常重要。

　　载荷，可以是汽车及其零部件上所受的力；也可以是应变、位移、加速度、加速度场、热载荷、风载荷等。

　　结构，是组成设计整体的各部分的搭配和安排，是构造形式和构造材料的结合体。结构一旦设计出来，不但确定了其功能，一定意义上它的刚度、强度能力也确定了。例如：小钢勺的勺把儿在多次重复折弯后会疲劳断裂，而绳子多次折弯不会断裂，但是会被拉断，其本身内在属性决定了的。

　　在强度研究中，不仅要关注强度破坏的现象，更要关注引起强度失效的内在结构和外在载荷，因为外部载荷是强度破坏的外因，结构设计本身是强度破坏的内因。

　　3强度分析策略

　　3.1影响强度的因素

　　影响强度的因素从结构本身的内因分析，影响是根本性的：

　　材料的影响。弹性模量大，屈服极限高的材料能很好地抵抗载荷作用，有良好的强度属性；目前流行采用高强度钢。高强度钢的屈服极限强度虽然有大幅度提高，但弹性模量和普通钢差异不大，能改善强度但不能改善刚度，制约了结构设计。自然界结构几乎都不是单一材料，动物植物的结构组成都很复杂，是多种材料组成的复杂结构，这些自然启示势必引导设计创新，最终使设计适应需求和环境。

　　模态刚度的影响。不同结构有其固有的模态和刚度，在面积一定的情况下，球状结构比立方体结构模态和刚度都高，立方体结构又优于长方体结构，模态应力高的部位往往就是引起振动疲劳破坏的部位，刚度突变的部位也是引起强度破坏的部位，其内在强度薄弱点在外在载荷作用下综合表现强度属性。

　　表面质量的影响。表面粗糙度越差，越容易形成初始裂纹，引导裂纹生长，引起强度早期破坏；而且根据制造工艺，表面材料属性与内在机体材料属性存在较大差异，增加了强度数值仿真的难度，也是分析误差的一个直接原因。

　　影响强度的因素从外部载荷的外因分析，影响是很大的。

　　载荷及载荷传递路径影响。虽然结构设计本身埋下了模态应力薄弱点和刚度突变应力薄弱点，但不同工况载荷对这些薄弱点的激发程度不同。例如垂向冲击载荷和转弯时侧向载荷引起的应力薄弱位置就差异很大，于是外部载荷对强度的影响是个性化的，不能简单地用累积损伤等效代替。城市货车很少走定远试验场的路拱路，用路拱路的损伤值等效城市货车的道路载荷损伤，疑问很大。另结构设计本身决定了载荷的传递路径和作用方式。动物的关节是很科学的，有骨头、有肌肉、有皮、有筋，即使断了，还有相连的，安全性好很多，而且微观结构复杂，最轻且省材料。动物关节最重要的功能是减少冲击和分解载荷，减少冲击的能力很强，这种减少冲击的结构不是简单的弹簧和减震器的组合，例如猫科动物的肢体关节，是**的行驶系。

　　不同的载荷类型可以在不同角度考察汽车结构的强度。

　　极限载荷，是汽车在使用环境下的极端瞬间载荷，例如车辆经常单独或同时考虑冲击、扭转、制动、转弯条件下**载荷。用极限载荷可以在设计早期分析强度性能，可以很好地预测应力薄弱部位；可以在设计早期就通过设计改进创新避免和减轻这些应力薄弱部位。

　　简单循环载荷，是基于一定频率的某一个或少数几个大小和方向循环变化的载荷。用简单循环载荷可以预测在不同循环载荷作用下反复变形部位引起的疲劳薄弱部位，是设计引起的刚度突变部位和外部载荷作用部位共同作用下引起的结构疲劳薄弱部位。

　　道路载荷，是汽车行驶在不同路面上受到的载荷、分为用户道路载荷、试验场道路载荷。由于用户道路载荷的复杂性，用什么样的道路载荷是影响汽车设计成本的很关键因素，道路载荷的采集、处理需要耗费很大的人力物力和很长的时间，试验场道路与用户道路相关实在是一个难题，即使有累积损伤等效的理论、也不能解决不同工况载荷作用引起强度薄弱部位不同的难题。表面上看用用户道路分析和试验最容易使人信服，最与用户贴心，实质上用什么样的道路载荷代表什么样的用户很难概括，地球村地理复杂，气候复杂，车辆用途复杂，法规要求复杂，驾驶习惯多样，合理分类用户道路就很难，用试验场道路强化试验替代用户道路试验就会存在更大的误差。进行庞大系统的试验会有很高的成本与时间的代价。于是要研究典型用户道路载荷引起的损伤和损伤部位，不能盲目使用强化试验。

　　3.2基于内外因影响的结构强度分析策略

　　汽车产品开发经历几大阶段：产品规划、概念开发、设计工程、零部件试制试验、样车试制试验、生产准备、试销批产。虚拟样车设计阶段从整车总布置到零部件详细设计，实物样车试制阶段从零部件试制试验到整车装调和试验。在虚拟样车设计阶段做充分的数值模拟，科学保证设计结构本身这个内因的合理性，可以大量减少设计失误，可以减少后期的实物试验，是结构强度分析的重点阶段。在实物样车试制阶段要做必要的零部件和整车试验，同时将数值模拟与实物试验结合使用，使数值模拟与实物试验相辅相成互相标定和验证准确度。失败的强度设计发现越早，引起的成本越小，于是早期的数值模拟解决设计结构内因问题非常重要。后期的实物实验是一种重要补充和验证。

　　早期解决设计结构内因问题的策略如下：

　　用极限载荷检验设计结构强度薄弱部位，改进强度薄弱部位。

　　极限载荷一方面以汽车实际使用条件下的极限载荷体现，如冲击、扭转、转弯、制动等工况的极限载荷，又要充分大到能体现结构设计强度薄弱部位。例如重型卡车实际转弯的**加速的应该在0.4g左右，而要充分体现其设计结构的强度薄弱环节，侧向加速度的要增加到0.8g的极限状况。用极限载荷可以在设计早期预测静态强度薄弱部位并改进设计结构，减少强度破坏内因。

　　用简单循环载荷检验结构反复变形的疲劳强度薄弱部位，改进疲劳强度薄弱部位。

　　疲劳是动载荷激励下有反复变形才造成的强度薄弱，用极限静态载荷不能合理体现疲劳部位，又因设计早期缺少正向车道路载荷，用简单循环载荷是一种经济、**、快捷的疲劳危险部位预测方法，可以在设计早期预测疲劳强度薄弱部位并改进设计结构，减少强度破坏内因。

　　用自由模态下模态应力高的部位预测振动疲劳发生部位，改进振动疲劳薄弱部位。

　　自由模态揭示汽车零部件的振动特性，而约束模态影响因素太多，不准确。自由模态下模态应力薄弱部位往往就是共振发生时振动疲劳薄弱部位，于是在设计早期关注激振频率下模态应力薄弱部位，改进设计结构，就能一定程度减少产生共振疲劳的内因。

　　中后期解决载荷外因的策略如下：

　　规定典型用户道路载荷采集标准

　　由于地球村地理复杂，气候复杂，车辆用途复杂，法规要求复杂，驾驶习惯多样，有必要针对不同种类车辆对典型用户道路载荷采集实施标准化规定。规定道路是容易的，规定道路载荷就附加了车辆用途、车况、驾驶习惯、环境温度等。比如规定了车况、行驶速度、环境温度和驾驶习惯的一定坡度的上下坡道路载荷；比如规定了车况、行驶速度、环境温度和驾驶习惯的弯曲道路载荷；比如规定了车况、行驶速度；比如规定了车况、行驶速度、环境温度和驾驶习惯的山区道路载荷；比如规定了车况、行驶速度、环境温度和驾驶习惯的矿山道路载荷；比如规定了车况、行驶速度、环境温度和驾驶习惯的乡村道路载荷等，以及与之等效的强化试验场道路载荷。道路载荷采集不标准化，意味着用户道路变化不能穷尽，成本和时间是无边的。

　　有了标准化的典型用户道路载荷，可以根据车辆用途选取标准化的用户道路载荷，可以用放大载荷实现快速强化。

　　用试验场道路载荷检验极限强度薄弱部位和疲劳强度薄弱部位。

　　试验场设定了各种典型和极限路面情况，所以用试验场验证包括了极限强度薄弱部位验证和疲劳强度薄弱部位验证。由于其典型和极限路面的属性，某些试验场道路载荷验证里程一定要短，否则不仅成本高，也代表不了典型用户，是盲目的。而那些能体现用户道路载荷作用下疲劳强度薄弱部位的试验场路面才可以作为损伤等效的强化试验路面。对于汽车零部件承受的极限载荷，由于用户道路发生频次低，发生疲劳破坏的危险性就低，用适当低于强度极限的应力标准评价较为合理。对于汽车零部件频繁承受的循环交变载荷，要用与用户道路载荷强度薄弱环节相符的法定试验场道路载荷验证，且用损伤等效的方法确定试验场里程。

　　其它解决强度问题策略如下：

　　用结构设计创新改善载荷传递

　　赛车比赛中，在道路两旁布满了泡沫材料保护赛车手安全，核心作用是缓冲力的冲击。解决载荷传递的问题一方面是力的缓冲，另一方面是力的分解。猫科动物的爪部有很厚的肉垫，腿脚的关节间隙很大，活动灵敏，有肌肉和筋的弹性缓冲和限位，有血管通路的动能输送，有润滑粘液，有神经网络控制系统，能很好地缓冲和分解力，于是小猫可以承受高处坠落的冲击力。可见力的传递路径多么重要，对设计改进创新是一种自然力的启示。

　　用标杆车的强度水平作为强度判断相对标准

　　由于汽车是百年基业，市场中经过检验的**车型比比皆是，正向设计车型往往是某款市场成熟车型的改进，于是这款市场中的标杆车的强度水平就是很重要的强度判断相对标准。

　　相对标准评价意味着车型相似、载荷工况相近，在可比条件下用标杆车的应力水平判断正向车的应力水平是否存在危险隐患。

　　由于标杆车上市存在已经多年，且标杆车因设计继承性也不是**无缺，用标杆车强度水平作为相对判断标准也要研究和谨慎，取其精华，去除糟粕，真正从逆向设计走向正向开发。

　　根据具体问题采用合适的强度判断基本标准

　　结构强度根据载荷作用不同应该有不同的强度判断标准。强度分为抗拉、抗压、抗弯、抗扭，抗剪切、抗疲劳。

　　对于疲劳应力部位，要采用基于S-N或E-N曲线的疲劳极限或安全系数判断。

　　对于不希望有塑性变形的部位，要采用材料屈服极限判断。

　　对于很少有的极限强度薄弱部位，有时可以采用有一定安全系数的材料强度极限判断。

　　结构的强度属性基本依结构和材料本身确定了，在外载荷作用下昭显出来。解决结构设计和材料属性就是解决内因，是关键。外部载荷有规律，却因应用场合的不同而难以控制，保证绝大多数能覆盖用户环境就足矣。

　　跟踪用户强度质量故障信息

　　跟踪用户强度质量故障信息，将强度质量故障信息排序，依据重要度和发生频次解决主要强度质量问题，问题越解决越少，强度质量越来越好，不断改善。

　　4基于内外因影响的结构强度分析策略带来的有益效果

　　4.1有助于汽车产品开发不同阶段保证强度性能

　　结构强度分析策略分析和提出了汽车产品开发不同阶段的强度分析实验方法，从结构设计内因和载荷作用外因入手解决强度问题，很好地保证了汽车产品开发不同阶段的汽车强度性能，减少了不当设计，减少了实物实验，有助于明了设计功能和性能，有助于汽车产品开发能力提升。

　　4.2有助于降低成本

　　结构强度分析策略用不同分析实验方法检验结构设计的抗极限载荷作用能力、抗振动疲劳能力、抗道路载荷疲劳能力，提出了在设计早期改善结构设计强度薄弱部位。不是单纯验证产品强度状态，避免了盲目开模具，也不盲目大量进行道路载荷采集和台架实验，把企业的每一分钱财用在了刀刃上，在时间和成本上都有很大节约。

　　4.3有助于设计创新

　　本着改变结构内因和载荷传递路径的意图，激发了创新思路，有多项独特设计萌生，申报了国家专利。例如复合悬置、球形概念车等。

　　5结论

　　学习、研究、进步是技术工作开展的不同阶段，经过十余年的强度分析历练，从学习有限元分析方法，到配合强度试验进行对标分析，把有些简单问题深入研究了，把一些复杂问题简单化了。把强度分析落实在了改善结构设计和改善载荷作用方面了。而**的设计是相对的，受着时代和智慧的制约，能满足用户需求和改善生活是核心动力。真正的先进技术不能完全靠学习得来，学习就意味着跟着某种先进，而不是引**进，只有通过学习、研究、创新，才能实现技术**，在这个领域伸直腰板。
来源：http://articles.e-works.net.cn/cae/

资讯来源：http://articles.e-works.net.cn/cae/