包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法

包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，包括焊接和结构单元分组、有限元焊接模拟、复杂工况定义、多轴建立和多轴疲劳计算的步骤；其中，复杂工况定义包括定义疲劳载荷的大小、方向、加载位置和包括倾翻力矩疲劳、S形转向疲劳、连续制动疲劳、扭转疲劳、多自由度振动疲劳中任意一种疲劳循环工况；多轴建立包括根据所定义的疲劳载荷和疲劳循环工况建立至少两个疲劳寿命轴；多轴疲劳计算包括按所定义的复杂工况和所建立的疲劳寿命轴，采用疲劳寿命计算软件，建立与疲劳寿命轴数相对应的计算通道进行多通道多轴疲劳寿命计算。本发明的有益效果是，疲劳寿命计算准确，且该方法的公开，可避免重复研发，利于节省资源和促进社会进步。
【专利说明】包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种车架设计阶段的疲劳计算方法，特别是一种包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法。

【背景技术】
[0002]车架是汽车的主要承载部件，特别是载重汽车，在车架的横梁与纵梁之间会焊接一些箱型结构，用来加强车架的整体强度，而一般汽车的车架是由两根位于两边的纵梁和几根横梁组成，车架的疲劳寿命可通过车架实物的台架试验确定。为降低开发成本和缩短开发周期，需要在车辆的设计阶段通过疲劳寿命计算软件进行设计验证，在计算前必须进行工况模拟和参数设置。目前，通常的做法是采用单轴计算方法，其计算结果与车架的实际寿命相差较大。而车架在实际工作中存在多种复杂工况，如车辆制动、转向、倾翻、扭转、多自由度振动、特种车辆的转台回转等复杂工况，且每一种载荷工况的载荷都是单轴疲劳无法解决的，受力情况复杂，疲劳工况多，针对这些特点需要建立一种多通道多轴载荷进行疲劳计算。车架在复杂工况下的疲劳寿命计算对正确评估车架的布局合理性、局部优化设计具有重要意义。计算车架复杂工况的疲劳寿命关键在于工况定义和疲劳载荷大小、加载方式设定。然而，在现有技术中，疲劳载荷谱的设置均属于车辆开发单位的保密技术而不予公开，存在重复研发问题，不利于节省资源和促进社会进步。


【发明内容】

[0003]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，该方法通过合理的焊接模拟和恰当的复杂工况多轴疲劳载荷设置，提高了疲劳寿命计算的准确性，该计算方法的公开和应用，可避免重复研发，利于节省资源和促进社会进步。
[0004]为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。
[0005]一种包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，包括以下步骤:
[0006]SI，焊接单元和结构单元分组:设定X、Y、Z和坐标原点的空间坐标系，并对焊接单元和结构单元进行分组；
[0007]S2，有限元焊接模拟:以角焊缝方式对板材件焊接和曲面焊接进行有限元焊接模拟；其中，焊接单元采用四边形网格，网格边长为3?5mm ;网格的翘曲度小于5% ;焊缝层无三角形单元；与焊缝层邻接的焊接连接层的网格单元中三角形网格数量占比小于5% ;
[0008]S3，复杂工况定义:包括定义疲劳载荷和疲劳循环工况；所述疲劳载荷包括载荷的大小、方向和加载位置；所述疲劳循环工况包括倾翻力矩疲劳工况、S形转向倾翻疲劳工况、连续制动倾翻疲劳工况、扭转疲劳工况、多自由度振动疲劳工况中的任意一种；
[0009]S4,多轴建立:根据所定义的疲劳载荷和疲劳循环工况建立至少两个疲劳寿命轴；
[0010]S5，多轴疲劳计算:按所定义的复杂工况和所建立的疲劳寿命轴，采用疲劳寿命计算软件，建立与疲劳寿命轴数相对应的计算通道进行多通道多轴疲劳寿命计算；包括将焊接单元和结构单元进行重新分组、选择疲劳运算法则、定义材料表面参数、定义平面残余应力和高低周期疲劳寿命，依计算法则进行焊缝和焊点单元疲劳寿命及结构强度疲劳寿命计算；其中，焊缝和焊点单元疲劳计算法则选择BS weld life (CP)运算法则；结构强度疲劳计算法则选择“依附于结构材料”算法。
[0011]采用前述技术方案的本发明，通过对焊接单元进行有限元模拟和复杂工况定义、复杂工况下疲劳载荷大小、方向、加载位置的设定后，建立多个计算通道并采用采用疲劳寿命计算软件进行多通道多轴疲劳寿命计算。其中，所述的复杂工况包括倾翻力矩疲劳工况、S形转向倾翻疲劳工况、连续制动倾翻疲劳工况、扭转疲劳工况、多自由度振动疲劳工况等。该计算方法可有效提高车架疲劳寿命模拟计算的准确性，同时，通过该方法的公开可避免重复研发，利于节省资源和促进社会进步。
[0012]优选的，所述角焊缝的起始端和收尾端无网格翘曲单元和三角形网格单元。用以保证焊接传递的一致性；最好焊缝层网格的边线尽量与焊接连接层保持平直，不要形成一定角度。在焊接连接的头部和尾部不要包含三角形单元，变形翘曲单元。
[0013]优选的，所述倾翻力矩疲劳载荷由垂直载荷、底盘等效载荷和空间倾翻力矩组成；所述倾翻力矩疲劳载荷大小、方向和加载位置确定包括设定垂直载荷、底盘等效载荷的大小、方向和作用点，设定空间倾翻力矩的大小和加载区域；所述垂直载荷大小为车架所承受载荷的垂直分量，加载点为车架重心；所述底盘等效载荷大小为车架及附件总重，加载点根据车架结构确定；所述空间倾翻力矩大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定，其作用点与垂直载荷的加载点重合；所述倾翻力矩疲劳工况包括倾翻形式工况和空间倾翻力矩加载工况；所述倾翻形式工况包括正右方倾翻、右后方倾翻、正后方倾翻、左后方倾翻、正左方倾翻；所述空间倾翻力矩加载工况包括按以下循环工况:工况一，从正右方经右后方到正后方，再按相反顺序返回正右方；工况二，从正左方经左后方到正后方，再按相反顺序返回正左方；工况三，从正右方经右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反顺序返回正右方；工况四，从右后方经正后方到左后方，再按相反顺序返回正右后方；工况五，从右后方经正后方，再返回右后方；所述倾翻工况多轴的建立包括先将回转力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空间倾翻力矩作用点和作用力载荷的数量进行分轴，其中，垂直载荷为一轴，底盘等效载荷为一轴，空间倾翻力矩按照不同回转角度的加载工况分成不同轴；其中，在模拟整车倾翻计算时，将车架底部四角的X、Y、Z三个轴向移动自由度约束，车架底面与地面距离为0.5m，同时，将空间倾翻力矩的空间向量向XY面、YZ面和ZX面进行投影，以将按照回转角度定义的轴通过力矩的矢量关系合成和分解。通过模拟车架的多个复杂的倾翻力矩疲劳工况，并对疲劳载荷进行定量定位，以获得准确的倾翻力矩疲劳寿命计算结果，适用于边梁式车架和带回转台的特种车辆车架的倾翻力矩疲劳寿命计算。
[0014]优选的，所述S形转向倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置为，将通过蛇形试验或多体动力学软件进行模拟所获得的转向时轮胎力和力矩参数等效加载在轮胎与悬架及车架的连接处，包括左前、右前，右后、左后轮的力和力矩共八个载荷；所述S形转向倾翻疲劳工况包括以下循环工况，工况一，从右转极限经正中间到左极限位置；工况二，从左转极限位置回到中位到右转极限位置；工况三，从右转极限位置到中位到左转极限位置，最后又回到右转极限位置；工况四，从中位到右转极限位置，回中位到左转极限位置回到中位；工况五，从中位到左转极限位置，回中位到右转极限位置再回到中位；所述转向疲劳轴数为车桥数的12倍，分别与车桥左右两侧轮胎的力和力矩在XY、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。通过模拟车架的多个复杂的S形转向倾翻疲劳工况，并对疲劳载荷进行定量定位，以获得准确的S形转向倾翻疲劳寿命计算结果，适用于边梁式车架和带回转台的特种车辆车架的S形转向倾翻疲劳寿命计算。
[0015]优选的，所述连续制动倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置为，为将左前、右前，右后、左后轮制动力和制动力矩共八个载荷的力学参数加载在车架与悬架的连接位置，并保证将力、力矩正确地传递到整个车架上；所述连续制动倾翻疲劳工况为桥制动状态和车辆行驶速度与制动压力的组合相结合的疲劳工况；所述桥制动状态包括前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度包括高速、中速和低速；所述制动压力包括轻制动和全力制动；所述桥制动状态包括，工况一，循环进行前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；工况二，交替进行前桥脚制动和后桥制动；工况三，交替进行前桥脚制动和全桥制动；工况四，交替进行后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度与制动压力的组合包括，工况一，交替进行高速轻制动和高速全力制动；工况二，交替进行中速轻制动和中速全力制动；工况三，交替进行低速轻制动和低速全力制动；工况四，循环进行高速轻制动、中速轻制动和低速轻制动；工况五，循环进行高速全力制动、中速全力制动和低速全力制动；所述车辆行驶速度中的高速、中速和低速分别为75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述轻制动和全力制动的制动压力分别为2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述连续制动倾翻疲劳轴数为轮胎数的6倍，分别与力和力矩的空间向量在XY、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。通过模拟车架的多个复杂的制动疲劳工况，并对疲劳载荷进行定量定位，以获得准确的制动疲劳寿命计算结果，适用于边梁式车架和带回转台的特种车辆车架的制动疲劳寿命计算。其中，前桥脚制动是指在后桥制动失效时的车辆脚制动情形；后桥制动是指在前桥脚制动失效时的车辆脚制动情形。
[0016]进一步优选的，所述车辆行驶速度中的高速、中速和低速分别为80Km/h、60Km/h和30Km/h ;所述轻制动和全力制动的制动压力分别为3?4bar和6.5?7bar。以进一步获得更加准确的计算结果。
[0017]优选的，所述扭转疲劳载荷大小、方向、加载位置包括约束车架两纵梁后端的X、Y、Z轴六个自由度，约束车架中部位置的Z轴移动自由度；在前端第一横梁与车架两纵梁分别形成的两个连接点处，分别加载两个垂直于车架上表面大小相等方向相反的力，其中力的大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定；所述扭转疲劳工况为两个作用力交替变换方向；所述建立的多轴为与两个作用力相对应的两轴。通过模拟车架的多个复杂的扭转疲劳工况，并对疲劳载荷进行定量定位，以获得准确的扭转疲劳寿命计算结果，适用于边梁式车架和带回转台的特种车辆车架的扭转疲劳寿命计算。
[0018]优选的，所述多自由度振动疲劳载荷加载位置包括除重心以外的多个激励点；所述载荷的大小和方向通过台架实验获得的对应激励点处的位移谱或加速度谱；所述载荷工况为，从O开始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I个周期结束的循环工况；所述多轴的个数为激励点数的三倍加两个，分别对应激励点载荷在ΧΥ、ΥΖ和XZ三个平面上的投影和重心的垂直载荷与力矩。通过模拟车架的多个复杂的多自由度振动疲劳工况，并对疲劳载荷进行定量定位，以获得准确的多自由度振动疲劳寿命计算结果，适用于边梁式车架和带回转台的特种车辆车架的多自由度振动疲劳寿命计算。
[0019]进一步优选的，所述多自由度振动的多轴类型为位移载荷；所述载荷的激励点数和位置根据车架结构形式确定；其中，边梁式车架的激励点为6?10个；一体式车架则按车架各个表面均覆盖的原则，且激励点的数量不少于构成各表面的边数之和的2倍。便于更加准确的获得疲劳载荷参数和疲劳载荷的施加，并针对不同车架的结构形式，确定多自由度振动疲劳的激励点数，进一步确保多自由度振动疲劳寿命计算结果的准确性。
[0020]更进一步，所述激励点包括车架左前点、右前点、左后点、右后点、左前部中点、右前部中点、车架中部横梁中点。通过限定激励点位置，更进一步确保多自由度振动疲劳寿命计算结果的准确性。
[0021]本发明的有益效果是，通过合理的焊接模拟和恰当的复杂工况多轴疲劳载荷设置，提高了疲劳寿命计算的准确性，该方法的公开，可避免重复研发，利于节省资源和促进社会进步。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是本发明的流程图。
[0023]图2是本发明中A、B两个板材搭接焊接的模拟结构示意图，图中的阴影部分为焊缝。
[0024]图3是本发明中板材焊接模拟的网格示意图，图中阴影部分的网格为焊缝层网格，与焊缝层网格紧邻的网格为焊接连接层网格。
[0025]图4是本发明中C、D两个圆柱面的曲面焊接模拟的网格示意图，图中阴影部分的网格为焊缝层网格，与焊缝层网格紧邻的网格为焊接连接层网格。
[0026]图5是本发明中曲面焊接模拟的效果示意图。
[0027]图6是本发明中倾翻力矩载荷疲劳工况方位示意图。
[0028]图7是本发明中特种车辆的车架空间倾翻力矩加载位置示意图。
[0029]图8是本发明图中特种车辆的车架上部装置回转区域示意图。
[0030]图9是本发明中一般重型车的边梁式车架空间倾翻力矩加载位置示意图。
[0031]图10是本发明中S形转向倾翻疲劳工况及多轴分布示意图。
[0032]图11是本发明中制动倾翻疲劳工况及多轴分布示意图。
[0033]图12是本发明中扭转疲劳工况及多轴分布示意图。
[0034]图13是本发明中边梁式车架的多自由度振动疲劳工况的激励点分布图。

【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0036]实施例1，一种包括焊接模拟的车架倾翻力矩疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括以下步骤:
[0037]SI，焊接单元和结构单元分组:设定X、Y、Z和坐标原点的空间坐标系，并对焊接单元和结构单元进行分组；
[0038]S2，有限元焊接模拟:以角焊缝方式对板材件焊接和曲面焊接进行有限元焊接模拟；其中，焊接单元采用四边形网格，网格边长为3?5mm ;网格的翘曲度小于5% ;焊缝层无三角形网格，与焊缝层邻接的焊接连接层的网格单元中三角形网格数量占比小于5% ;最好角焊缝的起始端和收尾端无网格翘曲单元和三角形网格单元，焊缝层网格的边线与焊接连接层保持平直，不要形成角度；
[0039]S3，复杂工况定义:包括定义倾翻力矩疲劳载荷和倾翻力矩疲劳循环工况；所述疲劳载荷包括载荷的大小、方向和加载位置；所述倾翻力矩疲劳载荷由垂直载荷、底盘等效载荷和空间倾翻力矩组成；所述倾翻力矩疲劳载荷大小、方向和加载位置确定包括设定垂直载荷、底盘等效载荷的大小、方向和作用点，设定空间倾翻力矩的大小和加载区域；所述垂直载荷大小为车架所承受载荷的垂直分量，加载点为车架重心；所述底盘等效载荷大小为车架及附件总重，加载点根据车架结构确定；一般底盘等效载荷和垂直载荷的重心不在同一位置，所述空间倾翻力矩大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定，其作用点与垂直载荷的加载点重合；所述倾翻力矩疲劳工况包括倾翻形式工况和空间倾翻力矩加载工况；所述倾翻形式工况包括如图6所示的正右方倾翻、右后方倾翻、正后方倾翻、左后方倾翻、正左方倾翻；所述空间倾翻力矩加载工况包括按以下循环工况:工况一，从正右方经右后方到正后方，再按相反顺序返回正右方；工况二，从正左方经左后方到正后方，再按相反顺序返回正左方；工况三，从正右方经右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反顺序返回正右方；工况四，从右后方经正后方到左后方，再按相反顺序返回正右后方；工况五，从右后方经正后方，再返回右后方；
[0040]对于如图7中，特种车辆的车架中心处有一个刚性连接的圆形座圈，回转中心为X、Y、Z轴坐标原点，在座圈的回转中心位置施加循环的空间倾翻力矩，在远离回转中心位置心一定距离的位置施加底盘等效载荷；其中，空间倾翻力矩是车架在受到危险工况的一种可以导致车辆侧翻的一种力矩；由于特种车辆车架需要承载以及货物搬运，因此，需要进行车架上部装置的回转，回转区域在车架的正右侧区域顺时针旋转经过车架正后方至车架正左侧区域，如图8所示的0°到180°之间的回转区域；特种车辆由于承担回转、搬运功能，因此所受倾翻力矩较大，特别是图中45°?135°往复循环中疲劳载荷尤为突出，故该角度区域为死循环区域是设计中疲劳载荷中必须要进行计算的；
[0041]对于如图9的一般载重型车辆，一般载重型车辆为边梁式车架，其疲劳载荷施加方式与特种车辆疲劳载荷施加方式相同，区别在于所受空间倾翻力矩要比特种车辆小，但是载荷施加方式仍可借鉴；一般载重型车架疲劳载荷包括垂直载荷、底盘等效载荷和空间倾翻力矩；施加方式由于不存在特种车辆的回转中心，所以将一般载重型车架的车架中段重心位置处于第四横梁第五横梁之间，并与周围两侧的边梁进行刚性连接，车架的前后两端进行Χ、Υ、Ζ三个轴向的移动约束；然后在重心处施加垂直载荷，在距离重心200?300mm处施加底盘等效载荷，按照图8中方式施加空间倾翻力矩；
[0042]S4,多轴建立:根据所定义的倾翻力矩疲劳载荷和倾翻力矩疲劳循环工况建立倾翻工况多个计算轴，具体是，先将回转力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空间倾翻力矩作用点和作用力载荷的数量进行分轴，其中，垂直载荷为一轴，底盘等效载荷为一轴，空间倾翻力矩按照不同回转角度的加载工况分成不同轴；在模拟整车倾翻计算时，将车架底部四角的X、Y、Z三个轴向移动自由度约束，车架底面与地面距离为0.5m，同时，将空间倾翻力矩的空间向量向XY面、YZ面和ZX面进行投影，以将按照回转角度定义的轴通过力矩的矢量关系合成和分解；
[0043]S5，多轴疲劳计算:按所定义的倾翻力矩疲劳工况和所建立的多个倾翻力矩疲劳寿命轴，采用疲劳寿命计算软件，建立与疲劳寿命轴数相对应的计算通道进行多通道多轴疲劳寿命计算；包括将焊接单元和结构单元进行重新分组、选择疲劳运算法则、定义材料表面参数、定义平面残余应力和高低周期疲劳寿命，依计算法则进行焊缝和焊点单元疲劳寿命及结构强度疲劳寿命计算；
[0044]其中，焊缝和焊点单元疲劳计算法则选择BS weld life (CP)运算法则；该运算法则将焊接层和焊缝进行分级，需要输入焊接的厚度，焊接等级(B-W)级，可以选择默认等级F级也可根据不同设计需要进行选择，焊接单元厚度按照设计标准进行选择；结构强度疲劳计算法则选择“依附于结构材料”算法，最后将焊接单元、焊缝单元作为主分析对象，而将结构单元定义为分析参考对象，即不将结构单元疲劳作为主要计算依据；定义材料表面参数，材料表面参数定义不准确，疲劳计算寿命会相差数十倍。因为疲劳计算最初时候表层的破损引起的，经过表面裂纹-裂纹延伸-断裂等阶段。计算疲劳之前要将不同材料的粗糙度进行定义。粗糙度可从以下几个范围内选取，镜面(粗糙度非常小)-Ra<0.25um;0.25< Ra 0.6um ；0.6 < Ra 1.6um ； 1.6 < Ra 4um，共分为 8 个等级可供选择，最后一个等级粗糙度为Ra ^ 75um ;材料表面参数除了可以选择粗糙度外还可以通过精确计算求得，并将粗糙度计算值，赋予到材料表面参数列表中；平面残余应力定义，计算疲劳需要定义结构的平面残余应力，有的结构在制造过程中由于受到各种加工工艺的作用与影响，结构会存在一定的残余应力，在有限元疲劳计算中该值选择默认平衡值，即认为残留应力不对疲劳产生影响或结构不存在残留应力；高低周疲劳寿命定义，疲劳寿命定义根据设计寿命，在计算疲劳时将疲劳定义为低周疲劳I?13次、高周疲劳10 3_106或无限寿命10 6?⑴；根据计算的类型将设计寿命参数定义为2N，其中N为设计寿命循环次数。
[0045]实施例2，一种包括焊接模拟的S形转向倾翻疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括SI焊接单元和结构单元分组；S2有限元焊接模拟；S3复杂工况定义；S4多轴建立和S5多轴疲劳计算的步骤；
[0046]其中，复杂工况定义，包括定义S形转向倾翻疲劳载荷和疲劳循环工况；所述疲劳载荷包括载荷的大小、方向和加载位置；所述S形转向倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置等载荷参数可以通过蛇形试验获取整车的姿态参数，即俯仰、侧向弯曲角度、倾翻力矩以及加速度参数；也可以多体动力学软件进行模拟参数获取；并将所获得的转向时轮胎力和力矩参数等效加载在轮胎与悬架及车架的连接处，包括左前、右前，右后、左后轮的力和力矩共八个载荷，分别对应图10中的FA、MA、FB、MB、FC、MC、FD、MD ;所述S形转向倾翻疲劳工况包括以下循环工况，如图10所示的工况一，从右转极限经正中间到左极限位置；工况二，从左转极限位置回到中位到右转极限位置；工况三，从右转极限位置到中位到左转极限位置，最后又回到右转极限位置；工况四，从中位到右转极限位置，回中位到左转极限位置回到中位；工况五，从中位到左转极限位置，回中位到右转极限位置再回到中位；所述转向疲劳轴数为车桥数的12倍，分别与车桥左右两侧力和力矩(即FA、MA、FB、MB、FC、MC,FD,MD)在XY、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。若存在某个轴向所受力或力矩为0，则其三个坐标轴的投影也为O。确定准确的多轴定义是计算疲劳的关键，只有多轴向方向和矢量定义准确才能够进行多轴疲劳计算。
[0047]多轴疲劳计算:按所定义的S形转向倾翻疲劳工况和所建立的多个S形转向倾翻疲劳寿命轴，采用疲劳寿命计算软件，建立与疲劳寿命轴数相对应的计算通道进行多通道多轴疲劳寿命计算。
[0048]本实施例中的其余步骤的内容与实施例1相同，在此不再赘述。
[0049]实施例3，一种包括焊接模拟的连续制动倾翻疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括SI焊接单元和结构单元分组；S2有限元焊接模拟；S3复杂工况定义；S4多轴建立和S5多轴疲劳计算的步骤；
[0050]其中，复杂工况定义，包括定义S形转向倾翻疲劳载荷和疲劳循环工况；所述疲劳载荷包括载荷的大小、方向和加载位置；其中，连续制动倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置为，为将左前、右前，右后、左后轮制动力和制动力矩共八个载荷的力学参数加载在车架与悬架的连接位置，并保证将力、力矩正确地传递到整个车架上，分别对应图11

;其中力学参数可以多体动力学软件进行模拟参数获取；所述连续制动倾翻疲劳工况为桥制动状态和车辆行驶速度与制动压力的组合相结合的疲劳工况；所述桥制动状态包括前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度包括高速、中速和低速；所述制动压力包括轻制动和全力制动；所述桥制动状态包括，工况一，循环进行前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；工况二，交替进行前桥脚制动和后桥制动；工况三，交替进行前桥脚制动和全桥制动；工况四，交替进行后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度与制动压力的组合包括，工况一，交替进行高速轻制动和高速全力制动；工况二，交替进行中速轻制动和中速全力制动；工况三，交替进行低速轻制动和低速全力制动；工况四，循环进行高速轻制动、中速轻制动和低速轻制动；工况五，循环进行高速全力制动、中速全力制动和低速全力制动；所述车辆行驶速度中的高速、中速和低速分别为75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述轻制动和全力制动的制动压力分别为2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述连续制动倾翻疲劳轴数为车桥数的12倍，分别与车桥左右两侧轮胎的力和力矩的空间向量在XY、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。若存在某个轴向所受力或力矩为0，则其三个坐标轴上的投影也为O。确定准确的多轴定义是计算疲劳的关键，只有多轴向方向和矢量定义准确才能够进行多轴疲劳计算。
[0051]其中，前桥脚制动是指在后桥制动失效时的车辆脚制动情形；后桥制动是指在前桥脚制动失效时的车辆脚制动情形；车辆行驶速度中的高速、中速和低速最好分别为80Km/h、60Km/h和30Km/h ;轻制动和全力制动的制动压力最好分别为3?4bar和6.5?7bar0
[0052]本实施例中的其余步骤的内容与实施例1相同，在此不再赘述。
[0053]实施例4，一种包括焊接模拟的扭转疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括SI焊接单元和结构单元分组；S2有限元焊接模拟；S3复杂工况定义；S4多轴建立和S5多轴疲劳计算的步骤；
[0054]其中，复杂工况定义，包括定义扭转疲劳载荷和疲劳循环工况；所述扭转疲劳载荷大小、方向、加载位置包括约束车架两纵梁后端的X、Y、Z轴六个自由度，约束车架中部位置的Z轴移动自由度；在前端第一横梁与车架两纵梁分别形成的两个连接点处，分别加载两个垂直于车架上表面大小相等方向相反的力，如图12中的FA和FB，其中FA为正向，FB为反向；力的大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定；所述扭转疲劳工况为两个作用力交替变换方向；所述建立的多轴为与两个作用力FA和FB相对应的两轴。
[0055]本实施例中的其余步骤的内容与实施例1相同，在此不再赘述。
[0056]实施例5，一种包括焊接模拟的多自由度振动疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括SI焊接单元和结构单元分组；S2有限元焊接模拟；S3复杂工况定义；S4多轴建立和S5多轴疲劳计算的步骤；
[0057]其中，复杂工况定义，包括定义多自由度振动疲劳载荷和疲劳循环工况；所述多自由度振动疲劳载荷加载位置包括除重心以外的多个激励点；所述载荷的大小和方向通过台架实验获得的对应激励点处的位移谱；所述载荷工况为，从O开始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I个周期结束的循环工况；所述多轴的个数为激励点数的三倍加两个，分别对应激励点载荷在XY、YZ和XZ三个平面上的投影和重心的垂直载荷与力矩；所述多自由度振动的多轴类型为位移载荷；所述载荷的激励点数和位置如本实施例图13中的边梁式车架的激励点为6?10个；包括车架左前点1、右前点2、左后点3、右后点4、左前部中点5、右前部中点6、位于车架中部的第三横梁中点7共7个激励点。
[0058]本实施例中的载荷还可是通过台架实验获得的对应激励点处的加速度谱的加速度载荷。
[0059]本实施例中的其余步骤的内容与实施例1相同，在此不再赘述。
[0060]实施例6，一种包括焊接模拟的多自由度振动疲劳复杂工况多轴疲劳计算方法，包括SI焊接单元和结构单元分组；S2有限元焊接模拟；S3复杂工况定义；S4多轴建立和S5多轴疲劳计算的步骤；
[0061]所述多轴的个数为激励点数的三倍加两个，分别对应激励点载荷在XY、YZ和XZ三个平面上的投影和本实施例中特种车辆的整体式车架转台回转中心的垂直载荷与力矩；所述载荷的激励点数和位置按车架各个表面均覆盖的原则，且激励点的数量不少于构成各表面的边数之和的2倍。
[0062]本实施例中的其余步骤的内容与实施例5相同，在此不再赘述。
[0063]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，包括以下步骤: SI，焊接单元和结构单元分组:设定X、Y、Z和坐标原点的空间坐标系，并对焊接单元和结构单元进行分组； S2，有限元焊接模拟:以角焊缝方式对板材件焊接和曲面焊接进行有限元焊接模拟；其中，焊接单元采用四边形网格，网格边长为3?5mm ;网格的翘曲度小于5% ;焊缝层无三角形网格；与焊缝层邻接的焊接连接层的网格单元中三角形网格数量占比小于5% ; S3，复杂工况定义:包括定义疲劳载荷和疲劳循环工况；所述疲劳载荷包括载荷的大小、方向和加载位置；所述疲劳循环工况包括倾翻力矩疲劳工况、S形转向倾翻疲劳工况、连续制动倾翻疲劳工况、扭转疲劳工况、多自由度振动疲劳工况中的任意一种； S4，多轴建立:根据所定义的疲劳载荷和疲劳循环工况建立至少两个疲劳寿命轴； S5，多轴疲劳计算:按所定义的复杂工况和所建立的疲劳寿命轴，采用疲劳寿命计算软件，建立与疲劳寿命轴数相对应的计算通道进行多通道多轴疲劳寿命计算；包括将焊接单元和结构单元进行重新分组、选择疲劳运算法则、定义材料表面参数、定义平面残余应力和高低周期疲劳寿命，依计算法则进行焊缝和焊点单元疲劳寿命及结构强度疲劳寿命计算；其中，焊缝和焊点单元疲劳计算法则选择BS weld life (CP)运算法则；结构强度疲劳计算法则选择“依附于结构材料”算法。
2.根据权利要求1所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述角焊缝的起始端和收尾端无网格翘曲单元和三角形网格单元。
3.根据权利要求1或2所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述倾翻力矩疲劳载荷由垂直载荷、底盘等效载荷和空间倾翻力矩组成；所述倾翻力矩疲劳载荷大小、方向和加载位置确定包括设定垂直载荷、底盘等效载荷的大小、方向和作用点，设定空间倾翻力矩的大小和加载区域；所述垂直载荷大小为车架所承受载荷的垂直分量，加载点为车架重心；所述底盘等效载荷大小为车架及附件总重，加载点根据车架结构确定；所述空间倾翻力矩大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定，其作用点与垂直载荷的加载点重合；所述倾翻力矩疲劳工况包括倾翻形式工况和空间倾翻力矩加载工况；所述倾翻形式工况包括正右方倾翻、右后方倾翻、正后方倾翻、左后方倾翻、正左方倾翻；所述空间倾翻力矩加载工况包括按以下循环工况:工况一，从正右方经右后方到正后方，再按相反顺序返回正右方；工况二，从正左方经左后方到正后方，再按相反顺序返回正左方；工况三，从正右方经右后方、正后方、左后方到正左方，再按相反顺序返回正右方；工况四，从右后方经正后方到左后方，再按相反顺序返回正右后方；工况五，从右后方经正后方，再返回右后方；所述倾翻工况多轴的建立包括先将回转力矩向某一平面投影，然后按照投影角度、空间倾翻力矩作用点和作用力载荷的数量进行分轴，其中，垂直载荷为一轴，底盘等效载荷为一轴，空间倾翻力矩按照不同回转角度的加载工况分成不同轴；其中，在模拟整车倾翻计算时，将车架底部四角的X、Y、Z三个轴向移动自由度约束，车架底面与地面距离为0.5m，同时，将空间倾翻力矩的空间向量向XY面、YZ面和ZX面进行投影，以将按照回转角度定义的轴通过力矩的矢量关系合成和分解。
4.根据权利要求1或2所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述S形转向倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置为，将通过蛇形试验或多体动力学软件进行模拟所获得的转向时轮胎力和力矩参数等效加载在轮胎与悬架及车架的连接处，包括左前、右前，右后、左后轮的力和力矩共八个载荷；所述S形转向倾翻疲劳工况包括以下循环工况，工况一，从右转极限经正中间到左极限位置；工况二，从左转极限位置回到中位到右转极限位置；工况三，从右转极限位置到中位到左转极限位置，最后又回到右转极限位置；工况四，从中位到右转极限位置，回中位到左转极限位置回到中位；工况五，从中位到左转极限位置，回中位到右转极限位置再回到中位；所述转向疲劳轴数为车桥数的12倍，分别与车桥左右两侧轮胎的力和力矩在T1、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。
5.根据权利要求1或2所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述连续制动倾翻疲劳工况的疲劳载荷大小、方向、加载位置为，为将左前、右前，右后、左后轮制动力和制动力矩共八个载荷的力学参数加载在车架与悬架的连接位置，并保证将力、力矩正确地传递到整个车架上；所述连续制动倾翻疲劳工况为桥制动状态和车辆行驶速度与制动压力的组合相结合的疲劳工况；所述桥制动状态包括前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度包括高速、中速和低速；所述制动压力包括轻制动和全力制动；所述桥制动状态包括，工况一，循环进行前桥脚制动、后桥制动和全桥制动；工况二，交替进行前桥脚制动和后桥制动；工况三，交替进行前桥脚制动和全桥制动；工况四，交替进行后桥制动和全桥制动；所述车辆行驶速度与制动压力的组合包括，工况一，交替进行高速轻制动和高速全力制动；工况二，交替进行中速轻制动和中速全力制动；工况三，交替进行低速轻制动和低速全力制动；工况四，循环进行高速轻制动、中速轻制动和低速轻制动；工况五，循环进行高速全力制动、中速全力制动和低速全力制动；所述车辆行驶速度中的高速、中速和低速分别为75?85Km/h、55?65Km/h和25?35Km/h ;所述轻制动和全力制动的制动压力分别为2.5?4.5bar和6.0?7.5bar ;所述连续制动倾翻疲劳轴数为车桥数的12倍，分别与车桥左右两侧轮胎的力和力矩的空间向量在XY、YZ和XZ三个平面上的投影相对应。
6.根据权利要求5所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述车辆行驶速度中的高速、中速和低速分别为80Km/h、60Km/h和30Km/h ;所述轻制动和全力制动的制动压力分别为3?4bar和6.5?7bar。
7.根据权利要求1或2所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述扭转疲劳载荷大小、方向、加载位置包括约束车架两纵梁后端的X、Y、Z轴六个自由度，约束车架中部位置的Z轴移动自由度；在前端第一横梁与车架两纵梁分别形成的两个连接点处，分别加载两个垂直于车架上表面大小相等方向相反的力，其中力的大小为通过动力学分析获取力学参数或根据经验计算确定；所述扭转疲劳工况为两个作用力交替变换方向；所述建立的多轴为与两个作用力相对应的两轴。
8.根据权利要求1或2所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述多自由度振动疲劳载荷加载位置包括除重心以外的多个激励点；所述载荷的大小和方向通过台架实验获得的对应激励点处的位移谱或加速度谱；所述载荷工况为，从O开始到1/4周期，再到1/2周期，最后到I个周期结束的循环工况；所述多轴的个数为激励点数的三倍加两个，分别对应激励点载荷在XY、YZ和XZ三个平面上的投影和重心或转台回转中心的垂直载荷和力矩。
9.根据权利要求8所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述多自由度振动的多轴类型为位移载荷；所述载荷的激励点数和位置根据车架结构形式确定；其中，边梁式车架的激励点为6?10个；整体式车架则按车架各个表面均覆盖的原则，且激励点的数量不少于各表面的边数之和的2倍。
10.根据权利要求9所述的包括焊接模拟的车架复杂工况多轴疲劳计算方法，其特征在于，所述激励点包括车架左前点、右前点、左后点、右后点、左前部中点、右前部中点、车架中部横梁中点。
【文档编号】G06F19/00GK104462834SQ201410782958
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】苏锦涛 申请人:中国汽车工程研究院股份有限公司