包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，包括焊接和結構單元分組、有限元焊接模擬、復雜工況定義、多軸建立和多軸疲勞計算的步驟；其中，復雜工況定義包括定義疲勞載荷的大小、方向、加載位置和包括傾翻力矩疲勞、S形轉向疲勞、連續(xù)制動疲勞、扭轉疲勞、多自由度振動疲勞中任意一種疲勞循環(huán)工況；多軸建立包括根據(jù)所定義的疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況建立至少兩個疲勞壽命軸；多軸疲勞計算包括按所定義的復雜工況和所建立的疲勞壽命軸，采用疲勞壽命計算軟件，建立與疲勞壽命軸數(shù)相對應的計算通道進行多通道多軸疲勞壽命計算。本發(fā)明的有益效果是，疲勞壽命計算準確，且該方法的公開，可避免重復研發(fā)，利于節(jié)省資源和促進社會進步。
【專利說明】包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種車架設計階段的疲勞計算方法，特別是一種包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法。

【背景技術】
[0002]車架是汽車的主要承載部件，特別是載重汽車，在車架的橫梁與縱梁之間會焊接一些箱型結構，用來加強車架的整體強度，而一般汽車的車架是由兩根位于兩邊的縱梁和幾根橫梁組成，車架的疲勞壽命可通過車架實物的臺架試驗確定。為降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，需要在車輛的設計階段通過疲勞壽命計算軟件進行設計驗證，在計算前必須進行工況模擬和參數(shù)設置。目前，通常的做法是采用單軸計算方法，其計算結果與車架的實際壽命相差較大。而車架在實際工作中存在多種復雜工況，如車輛制動、轉向、傾翻、扭轉、多自由度振動、特種車輛的轉臺回轉等復雜工況，且每一種載荷工況的載荷都是單軸疲勞無法解決的，受力情況復雜，疲勞工況多，針對這些特點需要建立一種多通道多軸載荷進行疲勞計算。車架在復雜工況下的疲勞壽命計算對正確評估車架的布局合理性、局部優(yōu)化設計具有重要意義。計算車架復雜工況的疲勞壽命關鍵在于工況定義和疲勞載荷大小、加載方式設定。然而，在現(xiàn)有技術中，疲勞載荷譜的設置均屬于車輛開發(fā)單位的保密技術而不予公開，存在重復研發(fā)問題，不利于節(jié)省資源和促進社會進步。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，該方法通過合理的焊接模擬和恰當?shù)膹碗s工況多軸疲勞載荷設置，提高了疲勞壽命計算的準確性，該計算方法的公開和應用，可避免重復研發(fā)，利于節(jié)省資源和促進社會進步。
[0004]為實現(xiàn)前述目的，本發(fā)明采用如下技術方案。
[0005]一種包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，包括以下步驟:
[0006]SI，焊接單元和結構單元分組:設定X、Y、Z和坐標原點的空間坐標系，并對焊接單元和結構單元進行分組；
[0007]S2，有限元焊接模擬:以角焊縫方式對板材件焊接和曲面焊接進行有限元焊接模擬；其中，焊接單元采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為3?5mm ;網(wǎng)格的翹曲度小于5% ;焊縫層無三角形單元；與焊縫層鄰接的焊接連接層的網(wǎng)格單元中三角形網(wǎng)格數(shù)量占比小于5% ;
[0008]S3，復雜工況定義:包括定義疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述疲勞載荷包括載荷的大小、方向和加載位置；所述疲勞循環(huán)工況包括傾翻力矩疲勞工況、S形轉向傾翻疲勞工況、連續(xù)制動傾翻疲勞工況、扭轉疲勞工況、多自由度振動疲勞工況中的任意一種；
[0009]S4,多軸建立:根據(jù)所定義的疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況建立至少兩個疲勞壽命軸；
[0010]S5，多軸疲勞計算:按所定義的復雜工況和所建立的疲勞壽命軸，采用疲勞壽命計算軟件，建立與疲勞壽命軸數(shù)相對應的計算通道進行多通道多軸疲勞壽命計算；包括將焊接單元和結構單元進行重新分組、選擇疲勞運算法則、定義材料表面參數(shù)、定義平面殘余應力和高低周期疲勞壽命，依計算法則進行焊縫和焊點單元疲勞壽命及結構強度疲勞壽命計算；其中，焊縫和焊點單元疲勞計算法則選擇BS weld life (CP)運算法則；結構強度疲勞計算法則選擇“依附于結構材料”算法。
[0011]采用前述技術方案的本發(fā)明，通過對焊接單元進行有限元模擬和復雜工況定義、復雜工況下疲勞載荷大小、方向、加載位置的設定后，建立多個計算通道并采用采用疲勞壽命計算軟件進行多通道多軸疲勞壽命計算。其中，所述的復雜工況包括傾翻力矩疲勞工況、S形轉向傾翻疲勞工況、連續(xù)制動傾翻疲勞工況、扭轉疲勞工況、多自由度振動疲勞工況等。該計算方法可有效提高車架疲勞壽命模擬計算的準確性，同時，通過該方法的公開可避免重復研發(fā)，利于節(jié)省資源和促進社會進步。
[0012]優(yōu)選的，所述角焊縫的起始端和收尾端無網(wǎng)格翹曲單元和三角形網(wǎng)格單元。用以保證焊接傳遞的一致性；最好焊縫層網(wǎng)格的邊線盡量與焊接連接層保持平直，不要形成一定角度。在焊接連接的頭部和尾部不要包含三角形單元，變形翹曲單元。
[0013]優(yōu)選的，所述傾翻力矩疲勞載荷由垂直載荷、底盤等效載荷和空間傾翻力矩組成；所述傾翻力矩疲勞載荷大小、方向和加載位置確定包括設定垂直載荷、底盤等效載荷的大小、方向和作用點，設定空間傾翻力矩的大小和加載區(qū)域；所述垂直載荷大小為車架所承受載荷的垂直分量，加載點為車架重心；所述底盤等效載荷大小為車架及附件總重，加載點根據(jù)車架結構確定；所述空間傾翻力矩大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定，其作用點與垂直載荷的加載點重合；所述傾翻力矩疲勞工況包括傾翻形式工況和空間傾翻力矩加載工況；所述傾翻形式工況包括正右方傾翻、右后方傾翻、正后方傾翻、左后方傾翻、正左方傾翻；所述空間傾翻力矩加載工況包括按以下循環(huán)工況:工況一，從正右方經(jīng)右后方到正后方，再按相反順序返回正右方；工況二，從正左方經(jīng)左后方到正后方，再按相反順序返回正左方；工況三，從正右方經(jīng)右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反順序返回正右方；工況四，從右后方經(jīng)正后方到左后方，再按相反順序返回正右后方；工況五，從右后方經(jīng)正后方，再返回右后方；所述傾翻工況多軸的建立包括先將回轉力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空間傾翻力矩作用點和作用力載荷的數(shù)量進行分軸，其中，垂直載荷為一軸，底盤等效載荷為一軸，空間傾翻力矩按照不同回轉角度的加載工況分成不同軸；其中，在模擬整車傾翻計算時，將車架底部四角的X、Y、Z三個軸向移動自由度約束，車架底面與地面距離為0.5m，同時，將空間傾翻力矩的空間向量向XY面、YZ面和ZX面進行投影，以將按照回轉角度定義的軸通過力矩的矢量關系合成和分解。通過模擬車架的多個復雜的傾翻力矩疲勞工況，并對疲勞載荷進行定量定位，以獲得準確的傾翻力矩疲勞壽命計算結果，適用于邊梁式車架和帶回轉臺的特種車輛車架的傾翻力矩疲勞壽命計算。
[0014]優(yōu)選的，所述S形轉向傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置為，將通過蛇形試驗或多體動力學軟件進行模擬所獲得的轉向時輪胎力和力矩參數(shù)等效加載在輪胎與懸架及車架的連接處，包括左前、右前，右后、左后輪的力和力矩共八個載荷；所述S形轉向傾翻疲勞工況包括以下循環(huán)工況，工況一，從右轉極限經(jīng)正中間到左極限位置；工況二，從左轉極限位置回到中位到右轉極限位置；工況三，從右轉極限位置到中位到左轉極限位置，最后又回到右轉極限位置；工況四，從中位到右轉極限位置，回中位到左轉極限位置回到中位；工況五，從中位到左轉極限位置，回中位到右轉極限位置再回到中位；所述轉向疲勞軸數(shù)為車橋數(shù)的12倍，分別與車橋左右兩側輪胎的力和力矩在XY、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。通過模擬車架的多個復雜的S形轉向傾翻疲勞工況，并對疲勞載荷進行定量定位，以獲得準確的S形轉向傾翻疲勞壽命計算結果，適用于邊梁式車架和帶回轉臺的特種車輛車架的S形轉向傾翻疲勞壽命計算。
[0015]優(yōu)選的，所述連續(xù)制動傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置為，為將左前、右前，右后、左后輪制動力和制動力矩共八個載荷的力學參數(shù)加載在車架與懸架的連接位置，并保證將力、力矩正確地傳遞到整個車架上；所述連續(xù)制動傾翻疲勞工況為橋制動狀態(tài)和車輛行駛速度與制動壓力的組合相結合的疲勞工況；所述橋制動狀態(tài)包括前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度包括高速、中速和低速；所述制動壓力包括輕制動和全力制動；所述橋制動狀態(tài)包括，工況一，循環(huán)進行前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；工況二，交替進行前橋腳制動和后橋制動；工況三，交替進行前橋腳制動和全橋制動；工況四，交替進行后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度與制動壓力的組合包括，工況一，交替進行高速輕制動和高速全力制動；工況二，交替進行中速輕制動和中速全力制動；工況三，交替進行低速輕制動和低速全力制動；工況四，循環(huán)進行高速輕制動、中速輕制動和低速輕制動；工況五，循環(huán)進行高速全力制動、中速全力制動和低速全力制動；所述車輛行駛速度中的高速、中速和低速分別為75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述輕制動和全力制動的制動壓力分別為2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述連續(xù)制動傾翻疲勞軸數(shù)為輪胎數(shù)的6倍，分別與力和力矩的空間向量在XY、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。通過模擬車架的多個復雜的制動疲勞工況，并對疲勞載荷進行定量定位，以獲得準確的制動疲勞壽命計算結果，適用于邊梁式車架和帶回轉臺的特種車輛車架的制動疲勞壽命計算。其中，前橋腳制動是指在后橋制動失效時的車輛腳制動情形；后橋制動是指在前橋腳制動失效時的車輛腳制動情形。
[0016]進一步優(yōu)選的，所述車輛行駛速度中的高速、中速和低速分別為80Km/h、60Km/h和30Km/h ;所述輕制動和全力制動的制動壓力分別為3?4bar和6.5?7bar。以進一步獲得更加準確的計算結果。
[0017]優(yōu)選的，所述扭轉疲勞載荷大小、方向、加載位置包括約束車架兩縱梁后端的X、Y、Z軸六個自由度，約束車架中部位置的Z軸移動自由度；在前端第一橫梁與車架兩縱梁分別形成的兩個連接點處，分別加載兩個垂直于車架上表面大小相等方向相反的力，其中力的大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定；所述扭轉疲勞工況為兩個作用力交替變換方向；所述建立的多軸為與兩個作用力相對應的兩軸。通過模擬車架的多個復雜的扭轉疲勞工況，并對疲勞載荷進行定量定位，以獲得準確的扭轉疲勞壽命計算結果，適用于邊梁式車架和帶回轉臺的特種車輛車架的扭轉疲勞壽命計算。
[0018]優(yōu)選的，所述多自由度振動疲勞載荷加載位置包括除重心以外的多個激勵點；所述載荷的大小和方向通過臺架實驗獲得的對應激勵點處的位移譜或加速度譜；所述載荷工況為，從O開始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I個周期結束的循環(huán)工況；所述多軸的個數(shù)為激勵點數(shù)的三倍加兩個，分別對應激勵點載荷在ΧΥ、ΥΖ和XZ三個平面上的投影和重心的垂直載荷與力矩。通過模擬車架的多個復雜的多自由度振動疲勞工況，并對疲勞載荷進行定量定位，以獲得準確的多自由度振動疲勞壽命計算結果，適用于邊梁式車架和帶回轉臺的特種車輛車架的多自由度振動疲勞壽命計算。
[0019]進一步優(yōu)選的，所述多自由度振動的多軸類型為位移載荷；所述載荷的激勵點數(shù)和位置根據(jù)車架結構形式確定；其中，邊梁式車架的激勵點為6?10個；一體式車架則按車架各個表面均覆蓋的原則，且激勵點的數(shù)量不少于構成各表面的邊數(shù)之和的2倍。便于更加準確的獲得疲勞載荷參數(shù)和疲勞載荷的施加，并針對不同車架的結構形式，確定多自由度振動疲勞的激勵點數(shù)，進一步確保多自由度振動疲勞壽命計算結果的準確性。
[0020]更進一步，所述激勵點包括車架左前點、右前點、左后點、右后點、左前部中點、右前部中點、車架中部橫梁中點。通過限定激勵點位置，更進一步確保多自由度振動疲勞壽命計算結果的準確性。
[0021]本發(fā)明的有益效果是，通過合理的焊接模擬和恰當?shù)膹碗s工況多軸疲勞載荷設置，提高了疲勞壽命計算的準確性，該方法的公開，可避免重復研發(fā)，利于節(jié)省資源和促進社會進步。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0023]圖2是本發(fā)明中A、B兩個板材搭接焊接的模擬結構示意圖，圖中的陰影部分為焊縫。
[0024]圖3是本發(fā)明中板材焊接模擬的網(wǎng)格示意圖，圖中陰影部分的網(wǎng)格為焊縫層網(wǎng)格，與焊縫層網(wǎng)格緊鄰的網(wǎng)格為焊接連接層網(wǎng)格。
[0025]圖4是本發(fā)明中C、D兩個圓柱面的曲面焊接模擬的網(wǎng)格示意圖，圖中陰影部分的網(wǎng)格為焊縫層網(wǎng)格，與焊縫層網(wǎng)格緊鄰的網(wǎng)格為焊接連接層網(wǎng)格。
[0026]圖5是本發(fā)明中曲面焊接模擬的效果示意圖。
[0027]圖6是本發(fā)明中傾翻力矩載荷疲勞工況方位示意圖。
[0028]圖7是本發(fā)明中特種車輛的車架空間傾翻力矩加載位置示意圖。
[0029]圖8是本發(fā)明圖中特種車輛的車架上部裝置回轉區(qū)域示意圖。
[0030]圖9是本發(fā)明中一般重型車的邊梁式車架空間傾翻力矩加載位置示意圖。
[0031]圖10是本發(fā)明中S形轉向傾翻疲勞工況及多軸分布示意圖。
[0032]圖11是本發(fā)明中制動傾翻疲勞工況及多軸分布示意圖。
[0033]圖12是本發(fā)明中扭轉疲勞工況及多軸分布示意圖。
[0034]圖13是本發(fā)明中邊梁式車架的多自由度振動疲勞工況的激勵點分布圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。
[0036]實施例1，一種包括焊接模擬的車架傾翻力矩疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括以下步驟:
[0037]SI，焊接單元和結構單元分組:設定X、Y、Z和坐標原點的空間坐標系，并對焊接單元和結構單元進行分組；
[0038]S2，有限元焊接模擬:以角焊縫方式對板材件焊接和曲面焊接進行有限元焊接模擬；其中，焊接單元采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為3?5mm ;網(wǎng)格的翹曲度小于5% ;焊縫層無三角形網(wǎng)格，與焊縫層鄰接的焊接連接層的網(wǎng)格單元中三角形網(wǎng)格數(shù)量占比小于5% ;最好角焊縫的起始端和收尾端無網(wǎng)格翹曲單元和三角形網(wǎng)格單元，焊縫層網(wǎng)格的邊線與焊接連接層保持平直，不要形成角度；
[0039]S3，復雜工況定義:包括定義傾翻力矩疲勞載荷和傾翻力矩疲勞循環(huán)工況；所述疲勞載荷包括載荷的大小、方向和加載位置；所述傾翻力矩疲勞載荷由垂直載荷、底盤等效載荷和空間傾翻力矩組成；所述傾翻力矩疲勞載荷大小、方向和加載位置確定包括設定垂直載荷、底盤等效載荷的大小、方向和作用點，設定空間傾翻力矩的大小和加載區(qū)域；所述垂直載荷大小為車架所承受載荷的垂直分量，加載點為車架重心；所述底盤等效載荷大小為車架及附件總重，加載點根據(jù)車架結構確定；一般底盤等效載荷和垂直載荷的重心不在同一位置，所述空間傾翻力矩大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定，其作用點與垂直載荷的加載點重合；所述傾翻力矩疲勞工況包括傾翻形式工況和空間傾翻力矩加載工況；所述傾翻形式工況包括如圖6所示的正右方傾翻、右后方傾翻、正后方傾翻、左后方傾翻、正左方傾翻；所述空間傾翻力矩加載工況包括按以下循環(huán)工況:工況一，從正右方經(jīng)右后方到正后方，再按相反順序返回正右方；工況二，從正左方經(jīng)左后方到正后方，再按相反順序返回正左方；工況三，從正右方經(jīng)右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反順序返回正右方；工況四，從右后方經(jīng)正后方到左后方，再按相反順序返回正右后方；工況五，從右后方經(jīng)正后方，再返回右后方；
[0040]對于如圖7中，特種車輛的車架中心處有一個剛性連接的圓形座圈，回轉中心為X、Y、Z軸坐標原點，在座圈的回轉中心位置施加循環(huán)的空間傾翻力矩，在遠離回轉中心位置心一定距離的位置施加底盤等效載荷；其中，空間傾翻力矩是車架在受到危險工況的一種可以導致車輛側翻的一種力矩；由于特種車輛車架需要承載以及貨物搬運，因此，需要進行車架上部裝置的回轉，回轉區(qū)域在車架的正右側區(qū)域順時針旋轉經(jīng)過車架正后方至車架正左側區(qū)域，如圖8所示的0°到180°之間的回轉區(qū)域；特種車輛由于承擔回轉、搬運功能，因此所受傾翻力矩較大，特別是圖中45°?135°往復循環(huán)中疲勞載荷尤為突出，故該角度區(qū)域為死循環(huán)區(qū)域是設計中疲勞載荷中必須要進行計算的；
[0041]對于如圖9的一般載重型車輛，一般載重型車輛為邊梁式車架，其疲勞載荷施加方式與特種車輛疲勞載荷施加方式相同，區(qū)別在于所受空間傾翻力矩要比特種車輛小，但是載荷施加方式仍可借鑒；一般載重型車架疲勞載荷包括垂直載荷、底盤等效載荷和空間傾翻力矩；施加方式由于不存在特種車輛的回轉中心，所以將一般載重型車架的車架中段重心位置處于第四橫梁第五橫梁之間，并與周圍兩側的邊梁進行剛性連接，車架的前后兩端進行Χ、Υ、Ζ三個軸向的移動約束；然后在重心處施加垂直載荷，在距離重心200?300mm處施加底盤等效載荷，按照圖8中方式施加空間傾翻力矩；
[0042]S4,多軸建立:根據(jù)所定義的傾翻力矩疲勞載荷和傾翻力矩疲勞循環(huán)工況建立傾翻工況多個計算軸，具體是，先將回轉力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空間傾翻力矩作用點和作用力載荷的數(shù)量進行分軸，其中，垂直載荷為一軸，底盤等效載荷為一軸，空間傾翻力矩按照不同回轉角度的加載工況分成不同軸；在模擬整車傾翻計算時，將車架底部四角的X、Y、Z三個軸向移動自由度約束，車架底面與地面距離為0.5m，同時，將空間傾翻力矩的空間向量向XY面、YZ面和ZX面進行投影，以將按照回轉角度定義的軸通過力矩的矢量關系合成和分解；
[0043]S5，多軸疲勞計算:按所定義的傾翻力矩疲勞工況和所建立的多個傾翻力矩疲勞壽命軸，采用疲勞壽命計算軟件，建立與疲勞壽命軸數(shù)相對應的計算通道進行多通道多軸疲勞壽命計算；包括將焊接單元和結構單元進行重新分組、選擇疲勞運算法則、定義材料表面參數(shù)、定義平面殘余應力和高低周期疲勞壽命，依計算法則進行焊縫和焊點單元疲勞壽命及結構強度疲勞壽命計算；
[0044]其中，焊縫和焊點單元疲勞計算法則選擇BS weld life (CP)運算法則；該運算法則將焊接層和焊縫進行分級，需要輸入焊接的厚度，焊接等級(B-W)級，可以選擇默認等級F級也可根據(jù)不同設計需要進行選擇，焊接單元厚度按照設計標準進行選擇；結構強度疲勞計算法則選擇“依附于結構材料”算法，最后將焊接單元、焊縫單元作為主分析對象，而將結構單元定義為分析參考對象，即不將結構單元疲勞作為主要計算依據(jù)；定義材料表面參數(shù)，材料表面參數(shù)定義不準確，疲勞計算壽命會相差數(shù)十倍。因為疲勞計算最初時候表層的破損引起的，經(jīng)過表面裂紋-裂紋延伸-斷裂等階段。計算疲勞之前要將不同材料的粗糙度進行定義。粗糙度可從以下幾個范圍內選取，鏡面(粗糙度非常小)-Ra<0.25um;0.25< Ra 0.6um ；0.6 < Ra 1.6um ； 1.6 < Ra 4um，共分為 8 個等級可供選擇，最后一個等級粗糙度為Ra ^ 75um ;材料表面參數(shù)除了可以選擇粗糙度外還可以通過精確計算求得，并將粗糙度計算值，賦予到材料表面參數(shù)列表中；平面殘余應力定義，計算疲勞需要定義結構的平面殘余應力，有的結構在制造過程中由于受到各種加工工藝的作用與影響，結構會存在一定的殘余應力，在有限元疲勞計算中該值選擇默認平衡值，即認為殘留應力不對疲勞產(chǎn)生影響或結構不存在殘留應力；高低周疲勞壽命定義，疲勞壽命定義根據(jù)設計壽命，在計算疲勞時將疲勞定義為低周疲勞I?13次、高周疲勞10 3_106或無限壽命10 6?⑴；根據(jù)計算的類型將設計壽命參數(shù)定義為2N，其中N為設計壽命循環(huán)次數(shù)。
[0045]實施例2，一種包括焊接模擬的S形轉向傾翻疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括SI焊接單元和結構單元分組；S2有限元焊接模擬；S3復雜工況定義；S4多軸建立和S5多軸疲勞計算的步驟；
[0046]其中，復雜工況定義，包括定義S形轉向傾翻疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述疲勞載荷包括載荷的大小、方向和加載位置；所述S形轉向傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置等載荷參數(shù)可以通過蛇形試驗獲取整車的姿態(tài)參數(shù)，即俯仰、側向彎曲角度、傾翻力矩以及加速度參數(shù)；也可以多體動力學軟件進行模擬參數(shù)獲取；并將所獲得的轉向時輪胎力和力矩參數(shù)等效加載在輪胎與懸架及車架的連接處，包括左前、右前，右后、左后輪的力和力矩共八個載荷，分別對應圖10中的FA、MA、FB、MB、FC、MC、FD、MD ;所述S形轉向傾翻疲勞工況包括以下循環(huán)工況，如圖10所示的工況一，從右轉極限經(jīng)正中間到左極限位置；工況二，從左轉極限位置回到中位到右轉極限位置；工況三，從右轉極限位置到中位到左轉極限位置，最后又回到右轉極限位置；工況四，從中位到右轉極限位置，回中位到左轉極限位置回到中位；工況五，從中位到左轉極限位置，回中位到右轉極限位置再回到中位；所述轉向疲勞軸數(shù)為車橋數(shù)的12倍，分別與車橋左右兩側力和力矩(即FA、MA、FB、MB、FC、MC,FD,MD)在XY、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。若存在某個軸向所受力或力矩為0，則其三個坐標軸的投影也為O。確定準確的多軸定義是計算疲勞的關鍵，只有多軸向方向和矢量定義準確才能夠進行多軸疲勞計算。
[0047]多軸疲勞計算:按所定義的S形轉向傾翻疲勞工況和所建立的多個S形轉向傾翻疲勞壽命軸，采用疲勞壽命計算軟件，建立與疲勞壽命軸數(shù)相對應的計算通道進行多通道多軸疲勞壽命計算。
[0048]本實施例中的其余步驟的內容與實施例1相同，在此不再贅述。
[0049]實施例3，一種包括焊接模擬的連續(xù)制動傾翻疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括SI焊接單元和結構單元分組；S2有限元焊接模擬；S3復雜工況定義；S4多軸建立和S5多軸疲勞計算的步驟；
[0050]其中，復雜工況定義，包括定義S形轉向傾翻疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述疲勞載荷包括載荷的大小、方向和加載位置；其中，連續(xù)制動傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置為，為將左前、右前，右后、左后輪制動力和制動力矩共八個載荷的力學參數(shù)加載在車架與懸架的連接位置，并保證將力、力矩正確地傳遞到整個車架上，分別對應圖11

;其中力學參數(shù)可以多體動力學軟件進行模擬參數(shù)獲?。凰鲞B續(xù)制動傾翻疲勞工況為橋制動狀態(tài)和車輛行駛速度與制動壓力的組合相結合的疲勞工況；所述橋制動狀態(tài)包括前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度包括高速、中速和低速；所述制動壓力包括輕制動和全力制動；所述橋制動狀態(tài)包括，工況一，循環(huán)進行前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；工況二，交替進行前橋腳制動和后橋制動；工況三，交替進行前橋腳制動和全橋制動；工況四，交替進行后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度與制動壓力的組合包括，工況一，交替進行高速輕制動和高速全力制動；工況二，交替進行中速輕制動和中速全力制動；工況三，交替進行低速輕制動和低速全力制動；工況四，循環(huán)進行高速輕制動、中速輕制動和低速輕制動；工況五，循環(huán)進行高速全力制動、中速全力制動和低速全力制動；所述車輛行駛速度中的高速、中速和低速分別為75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述輕制動和全力制動的制動壓力分別為2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述連續(xù)制動傾翻疲勞軸數(shù)為車橋數(shù)的12倍，分別與車橋左右兩側輪胎的力和力矩的空間向量在XY、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。若存在某個軸向所受力或力矩為0，則其三個坐標軸上的投影也為O。確定準確的多軸定義是計算疲勞的關鍵，只有多軸向方向和矢量定義準確才能夠進行多軸疲勞計算。
[0051]其中，前橋腳制動是指在后橋制動失效時的車輛腳制動情形；后橋制動是指在前橋腳制動失效時的車輛腳制動情形；車輛行駛速度中的高速、中速和低速最好分別為80Km/h、60Km/h和30Km/h ;輕制動和全力制動的制動壓力最好分別為3?4bar和6.5?7bar0
[0052]本實施例中的其余步驟的內容與實施例1相同，在此不再贅述。
[0053]實施例4，一種包括焊接模擬的扭轉疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括SI焊接單元和結構單元分組；S2有限元焊接模擬；S3復雜工況定義；S4多軸建立和S5多軸疲勞計算的步驟；
[0054]其中，復雜工況定義，包括定義扭轉疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述扭轉疲勞載荷大小、方向、加載位置包括約束車架兩縱梁后端的X、Y、Z軸六個自由度，約束車架中部位置的Z軸移動自由度；在前端第一橫梁與車架兩縱梁分別形成的兩個連接點處，分別加載兩個垂直于車架上表面大小相等方向相反的力，如圖12中的FA和FB，其中FA為正向，F(xiàn)B為反向；力的大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定；所述扭轉疲勞工況為兩個作用力交替變換方向；所述建立的多軸為與兩個作用力FA和FB相對應的兩軸。
[0055]本實施例中的其余步驟的內容與實施例1相同，在此不再贅述。
[0056]實施例5，一種包括焊接模擬的多自由度振動疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括SI焊接單元和結構單元分組；S2有限元焊接模擬；S3復雜工況定義；S4多軸建立和S5多軸疲勞計算的步驟；
[0057]其中，復雜工況定義，包括定義多自由度振動疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述多自由度振動疲勞載荷加載位置包括除重心以外的多個激勵點；所述載荷的大小和方向通過臺架實驗獲得的對應激勵點處的位移譜；所述載荷工況為，從O開始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I個周期結束的循環(huán)工況；所述多軸的個數(shù)為激勵點數(shù)的三倍加兩個，分別對應激勵點載荷在XY、YZ和XZ三個平面上的投影和重心的垂直載荷與力矩；所述多自由度振動的多軸類型為位移載荷；所述載荷的激勵點數(shù)和位置如本實施例圖13中的邊梁式車架的激勵點為6?10個；包括車架左前點1、右前點2、左后點3、右后點4、左前部中點5、右前部中點6、位于車架中部的第三橫梁中點7共7個激勵點。
[0058]本實施例中的載荷還可是通過臺架實驗獲得的對應激勵點處的加速度譜的加速度載荷。
[0059]本實施例中的其余步驟的內容與實施例1相同，在此不再贅述。
[0060]實施例6，一種包括焊接模擬的多自由度振動疲勞復雜工況多軸疲勞計算方法，包括SI焊接單元和結構單元分組；S2有限元焊接模擬；S3復雜工況定義；S4多軸建立和S5多軸疲勞計算的步驟；
[0061]所述多軸的個數(shù)為激勵點數(shù)的三倍加兩個，分別對應激勵點載荷在XY、YZ和XZ三個平面上的投影和本實施例中特種車輛的整體式車架轉臺回轉中心的垂直載荷與力矩；所述載荷的激勵點數(shù)和位置按車架各個表面均覆蓋的原則，且激勵點的數(shù)量不少于構成各表面的邊數(shù)之和的2倍。
[0062]本實施例中的其余步驟的內容與實施例5相同，在此不再贅述。
[0063]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，焊接單元和結構單元分組:設定X、Y、Z和坐標原點的空間坐標系，并對焊接單元和結構單元進行分組； S2，有限元焊接模擬:以角焊縫方式對板材件焊接和曲面焊接進行有限元焊接模擬；其中，焊接單元采用四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為3?5mm ;網(wǎng)格的翹曲度小于5% ;焊縫層無三角形網(wǎng)格；與焊縫層鄰接的焊接連接層的網(wǎng)格單元中三角形網(wǎng)格數(shù)量占比小于5% ; S3，復雜工況定義:包括定義疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況；所述疲勞載荷包括載荷的大小、方向和加載位置；所述疲勞循環(huán)工況包括傾翻力矩疲勞工況、S形轉向傾翻疲勞工況、連續(xù)制動傾翻疲勞工況、扭轉疲勞工況、多自由度振動疲勞工況中的任意一種； S4，多軸建立:根據(jù)所定義的疲勞載荷和疲勞循環(huán)工況建立至少兩個疲勞壽命軸； S5，多軸疲勞計算:按所定義的復雜工況和所建立的疲勞壽命軸，采用疲勞壽命計算軟件，建立與疲勞壽命軸數(shù)相對應的計算通道進行多通道多軸疲勞壽命計算；包括將焊接單元和結構單元進行重新分組、選擇疲勞運算法則、定義材料表面參數(shù)、定義平面殘余應力和高低周期疲勞壽命，依計算法則進行焊縫和焊點單元疲勞壽命及結構強度疲勞壽命計算；其中，焊縫和焊點單元疲勞計算法則選擇BS weld life (CP)運算法則；結構強度疲勞計算法則選擇“依附于結構材料”算法。
2.根據(jù)權利要求1所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述角焊縫的起始端和收尾端無網(wǎng)格翹曲單元和三角形網(wǎng)格單元。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述傾翻力矩疲勞載荷由垂直載荷、底盤等效載荷和空間傾翻力矩組成；所述傾翻力矩疲勞載荷大小、方向和加載位置確定包括設定垂直載荷、底盤等效載荷的大小、方向和作用點，設定空間傾翻力矩的大小和加載區(qū)域；所述垂直載荷大小為車架所承受載荷的垂直分量，加載點為車架重心；所述底盤等效載荷大小為車架及附件總重，加載點根據(jù)車架結構確定；所述空間傾翻力矩大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定，其作用點與垂直載荷的加載點重合；所述傾翻力矩疲勞工況包括傾翻形式工況和空間傾翻力矩加載工況；所述傾翻形式工況包括正右方傾翻、右后方傾翻、正后方傾翻、左后方傾翻、正左方傾翻；所述空間傾翻力矩加載工況包括按以下循環(huán)工況:工況一，從正右方經(jīng)右后方到正后方，再按相反順序返回正右方；工況二，從正左方經(jīng)左后方到正后方，再按相反順序返回正左方；工況三，從正右方經(jīng)右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反順序返回正右方；工況四，從右后方經(jīng)正后方到左后方，再按相反順序返回正右后方；工況五，從右后方經(jīng)正后方，再返回右后方；所述傾翻工況多軸的建立包括先將回轉力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空間傾翻力矩作用點和作用力載荷的數(shù)量進行分軸，其中，垂直載荷為一軸，底盤等效載荷為一軸，空間傾翻力矩按照不同回轉角度的加載工況分成不同軸；其中，在模擬整車傾翻計算時，將車架底部四角的X、Y、Z三個軸向移動自由度約束，車架底面與地面距離為0.5m，同時，將空間傾翻力矩的空間向量向XY面、YZ面和ZX面進行投影，以將按照回轉角度定義的軸通過力矩的矢量關系合成和分解。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述S形轉向傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置為，將通過蛇形試驗或多體動力學軟件進行模擬所獲得的轉向時輪胎力和力矩參數(shù)等效加載在輪胎與懸架及車架的連接處，包括左前、右前，右后、左后輪的力和力矩共八個載荷；所述S形轉向傾翻疲勞工況包括以下循環(huán)工況，工況一，從右轉極限經(jīng)正中間到左極限位置；工況二，從左轉極限位置回到中位到右轉極限位置；工況三，從右轉極限位置到中位到左轉極限位置，最后又回到右轉極限位置；工況四，從中位到右轉極限位置，回中位到左轉極限位置回到中位；工況五，從中位到左轉極限位置，回中位到右轉極限位置再回到中位；所述轉向疲勞軸數(shù)為車橋數(shù)的12倍，分別與車橋左右兩側輪胎的力和力矩在T1、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述連續(xù)制動傾翻疲勞工況的疲勞載荷大小、方向、加載位置為，為將左前、右前，右后、左后輪制動力和制動力矩共八個載荷的力學參數(shù)加載在車架與懸架的連接位置，并保證將力、力矩正確地傳遞到整個車架上；所述連續(xù)制動傾翻疲勞工況為橋制動狀態(tài)和車輛行駛速度與制動壓力的組合相結合的疲勞工況；所述橋制動狀態(tài)包括前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度包括高速、中速和低速；所述制動壓力包括輕制動和全力制動；所述橋制動狀態(tài)包括，工況一，循環(huán)進行前橋腳制動、后橋制動和全橋制動；工況二，交替進行前橋腳制動和后橋制動；工況三，交替進行前橋腳制動和全橋制動；工況四，交替進行后橋制動和全橋制動；所述車輛行駛速度與制動壓力的組合包括，工況一，交替進行高速輕制動和高速全力制動；工況二，交替進行中速輕制動和中速全力制動；工況三，交替進行低速輕制動和低速全力制動；工況四，循環(huán)進行高速輕制動、中速輕制動和低速輕制動；工況五，循環(huán)進行高速全力制動、中速全力制動和低速全力制動；所述車輛行駛速度中的高速、中速和低速分別為75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述輕制動和全力制動的制動壓力分別為2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述連續(xù)制動傾翻疲勞軸數(shù)為車橋數(shù)的12倍，分別與車橋左右兩側輪胎的力和力矩的空間向量在XY、YZ和XZ三個平面上的投影相對應。
6.根據(jù)權利要求5所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述車輛行駛速度中的高速、中速和低速分別為80Km/h、60Km/h和30Km/h ;所述輕制動和全力制動的制動壓力分別為3?4bar和6.5?7bar。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述扭轉疲勞載荷大小、方向、加載位置包括約束車架兩縱梁后端的X、Y、Z軸六個自由度，約束車架中部位置的Z軸移動自由度；在前端第一橫梁與車架兩縱梁分別形成的兩個連接點處，分別加載兩個垂直于車架上表面大小相等方向相反的力，其中力的大小為通過動力學分析獲取力學參數(shù)或根據(jù)經(jīng)驗計算確定；所述扭轉疲勞工況為兩個作用力交替變換方向；所述建立的多軸為與兩個作用力相對應的兩軸。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述多自由度振動疲勞載荷加載位置包括除重心以外的多個激勵點；所述載荷的大小和方向通過臺架實驗獲得的對應激勵點處的位移譜或加速度譜；所述載荷工況為，從O開始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I個周期結束的循環(huán)工況；所述多軸的個數(shù)為激勵點數(shù)的三倍加兩個，分別對應激勵點載荷在XY、YZ和XZ三個平面上的投影和重心或轉臺回轉中心的垂直載荷和力矩。
9.根據(jù)權利要求8所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述多自由度振動的多軸類型為位移載荷；所述載荷的激勵點數(shù)和位置根據(jù)車架結構形式確定；其中，邊梁式車架的激勵點為6?10個；整體式車架則按車架各個表面均覆蓋的原則，且激勵點的數(shù)量不少于各表面的邊數(shù)之和的2倍。
10.根據(jù)權利要求9所述的包括焊接模擬的車架復雜工況多軸疲勞計算方法，其特征在于，所述激勵點包括車架左前點、右前點、左后點、右后點、左前部中點、右前部中點、車架中部橫梁中點。
【文檔編號】G06F19/00GK104462834SQ201410782958
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】蘇錦濤 申請人:中國汽車工程研究院股份有限公司