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车身焊接金属薄板件失效形式通常为疲劳断裂，本文选择白车身中受应力相对集中的后隔板位置进行疲劳耐久影响因素研究，从零件的材料选择、厚度、零件的形状以及焊点分布等方面进行CAE 疲劳仿真分析。根据仿真分析结果进行实车改进，并通过改进后的道路试验，将仿真分析结果和道路试验结果进行比较，证明疲劳仿真结论和实车改进的有效性。试验证明该方法可以帮助评估车身焊接件疲劳问题解决方案，缩短问题解决与验证时间。
0前言
汽车车身强度和可靠性主要通过实车道路试验或台架试验进行验证，但是，基于实际样车或部件的试验对潜在问题的反馈存在滞后性，难以明确影响因素。疲劳仿真分析可以帮助验证各种优化方案，减少或替代部分实车试验，提高车身焊接设计验证的准确度。
车身疲劳分析主要依据帕尔姆格伦－ Miner 疲劳累积理论进行，多数研究集中在疲劳寿命的仿真预测和仿真体系的建立，上海大众建立了整车耐久性虚拟试验台架，代替实车的道路试验和试验室台架试验；上汽、一汽等利用CAE 仿真技术进行了车身疲劳耐久预测。对于将道路试验和仿真相结合，提出和制定优化方案并进行定量分析，相关研究与案例较少，特别是车身应力相对集中的后隔板，是新车开发中经常遇到的问题，本文从解决后隔板疲劳失效发生的对策制定和验证角度，从材料、厚度、形状、焊点分布等不同方面进行优化和疲劳仿真，从而获得最优改进方案。
1车身薄板件疲劳分析理论
汽车行驶时，受路面连续激励，引起车身金属件随机振动，在某点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂。零件疲劳随高应力或高应变部位产生损伤并逐渐累积，导致性能退化，裂纹萌生、扩展直到完全断裂失效。疲劳破坏通常经过裂纹形成、裂纹扩展、疲劳断裂三个过程[4]。图1 表示了零件疲劳总寿命定义的全过程。
1.1疲劳损伤机理
本文采用Miner 疲劳累积理论，其假定材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤是先行叠加的结果。假定每一个循环所造成的平均损伤为1/N，根据损伤积累法则，n 次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比。当零件受到变幅载荷时，累积损伤量D 等于各自循环比之和：
式中：
为零件在
次循环所受的损伤；
为S-N 曲线上对应等效应力幅值的破坏循环次数。当D=1 时，零件发生疲劳失效，累计损伤结束。
1.2零件疲劳分析方法
汽车在道路上行驶时受到路面不平度的连续激励，引起车身零件的随机振动，并最终导致疲劳失效。车身零件的疲劳寿命不仅与行驶的路面形状有关，而且与行驶速度有关，其寿命预测基于速度和路面的激励。道路激励输入谱为：
其中
为道路空间谱。在任意路谱激励下的车身零件的动应力、动应力速度和动应力加速度的均方值分别为：
在随机载荷激励下，车身零件的动态应力响应
是随机过程，相应的应力幅值S 是随机变量，零件平均疲劳寿命的估计式为：
其中，
为在[0，T] 时间段内的总循环次数，C,m 为材料的疲劳试验常数。
2后隔板疲劳耐久仿真分析
车身后隔板是车身扭转应力最为集中的地方之一，作者经历的某A 级轿车在实际的道路试验中发生了疲劳开裂，接下来针对开裂部位进行针对性的疲劳仿真分析和优化及验证。
车身零件疲劳寿命预测首先需建立白车身有限元模型，施加边界条件，计算的固有频率和振型，扩展模态并计算应力。然后，输入谱密度，频率、阻尼参数，确定激励作用点及方向，定义激励缩放系数，求解绝对应力和应力速度等动态响应历程。最后，模态合并，计算应力和应力速度等随机变量，由疲劳累积损伤理论计算车身危险部位的疲劳寿命。
2.1流程设定及模型搭建
本文选择HyperMesh 软件进行完成前处理建立有限元模型；利用
Nastran 软件计算准静态下的单位载荷下的相应强度；利用六分力仪、位移传感器、加速度传感器等设备采集PAVE 实验道路载荷路谱，并分解采集的载荷路谱；利用FEMFAT 软件进行疲劳计算；最后用HyperWorks 进行后处理，读取仿真结果。PAVE 实验的疲劳耐久仿真流程如图2，白车身有限元模型如图3。根据线性累积损伤理论的修正Miner 法则和零件疲劳分析方法进行模拟仿真疲劳计算。
根据道路实验要求及仿真需要以及车身后隔板材料、料厚、形状、焊点分布等影响因素，建立车身后隔板有限元模型。车身后隔板模型网格划分如图4 所示。
2.2车身后隔板有限元仿真分析
根据提高车身金属薄板件疲劳可靠性的经验及常规方法，分别制定增加材料厚度、更改结构形式、变更材料、改善焊点分布等方案。仿真涉及材料牌号及其对应的强度级别如表2 所示。
车身后隔板开裂即疲劳开裂发生部位如图5 所示车身扭转剧烈位
置的A、B 两个部位。根据提升疲劳耐久可能的措施，共计5 个方案，具体设计方案如表3 所示。
方案1 为车身后隔板选择DC01 材料，料厚为0.7mm，A、B 处形面不做更改，进行焊点布局优化，仿真结果如图6 所示。
方案2 为后隔板选择DC01 材料，料厚为0.7mm，A、B 处做圆角优化，不进行焊点分布优化，仿真结果如图7 所示。
方案3 为选择DC01 材料，料厚为0.7mm，A、B 处增加台阶边，进行焊点分布优化，优化方案如图8 所示，仿真结果如图9 所示。
方案4 是指后隔板选择HC260Y 材料，料厚为0.7mm，A、B 处形面不做更改，不进行焊点优化，仿真结果如图10 所示。
方案5 是指后隔板选择HC260Y 材料，料厚为0.8mm，A、B 处形面不做更改，进行焊点优化，仿真结果如图11 所示。
2.3仿真结果对比分析
根据5 个设计方案的疲劳仿真结果发现，如图12 所示的1~5 处的应力集中，损伤值较大。
本文对5 种方案在1~5 这5 处的损伤值进行统计，对比分析，具体如下表4 所示。
根据表4 中的应力集中损伤值，发现在位置1 和5 处的损伤是最大的。根据线性疲劳损伤理论，损伤值等于1，是一个临界失效的状态，损伤值在1 以下时，满足设计要求。
以1 处为例，方案2 与方案1 对比优化了圆角，未进行焊点优化，发现位置1 处的损伤值降低0.60；方案3 与方案1 对比增加了台阶面，位置1 处的损伤值降低0.46；方案4 与方案1 相比材料由DC01 改为HC260Y，未进行焊点优化，位置1 处的损伤值降低2.23；方案5 与方案1 相比材料由DC01 改为HC260Y 且料厚由0.7mm 增加到0.8mm，位置1 处的损伤值降低2.70。根据疲劳损伤的仿真结果可知，焊点分布优化对降低疲劳损伤改善不明显；优化圆角、增加圆角台阶面都可以降低疲劳损伤值；更换材料，提高钢板的性能，能明显降低疲劳损伤值。根据仿真试验的结果，考虑对开发成本和周期影响最小的方案4 作为改善方案，并在此进行试车道路试验。
3试验结果分析和试验验证分析
根据企标及道路试验规范，规定比利时路面行驶有效试验里程
2200km，等效于用户实际使用160000km。其中，组合路中、高强度比利时路面行驶有效里程1000km，在组合路低强度比利时路面行驶有效里程1200km。在组合路低强比利时路上，车速35km/h 至40km/h；在综合路中、高强度比利时路面行驶，车速50km/h。通过高强比利时路，车速50km/h。试验行驶路线详见图13，按照①→③→②→④的顺序。
选择方案1 和方案4 实车改进后进行道路试验。实车试验结果如图14、15 所示，方案1 后隔板位置1 试验结果钣金发生疲劳开裂；方案4 后隔板实验结果未发生开裂。后隔板位置1 处方案1 仿真疲劳损伤值为3.23，超过临界损伤值；方案4 仿真疲劳损伤值为0.73，小于临界失效损伤值。实车试验结果验证了仿真结果的正确性。
4结论
本文主要对轿车后隔板开裂问题，采用仿真方法进行了疲劳可靠性的影响因素分析，通过实车道路试验与CAE 疲劳仿真分析结果对比，得到以下结论：
通过循环进入各个模块，可采用中断法对步进电机进行控制。在当前使用的仲裁机制中，一般是将固定优先级作为主要内容，总线在接受各个节点发送的电平时，节点也会读取总线的电平并进行一定的比较，如果两者电平相同，则可以进入到下一程序当中，而两者不同，则就会退出竞争程序，整个竞争程序剩余一个节点就算全部完成，最终固定的优先级则会获取对总线的控制权。下图标示了仲裁过程：
实验验证
在本文中处理芯片的型号为STM32F103C8T6，以该处理芯片为核心搭建出CAN 的总线测试平台，在实际使用过程中，主要采用CANkasver 对报文数据进行采集并回放，从而让实车环境实现模拟。
通过实验可以了解到，再将设计的电动汽车仪表系统进行两天测试实验之后，在运行状态下，CAN 总线仪表检测系统能够及时接收电动机传出的报文信号，对其进行更深的验证，可以了解到更加准确的车速、里程等信息，并且最终的实验结果显示，整个仪表显示的车速的误差没有大于相关的标准规定，而且其车速的脉冲也与设计要求相符，具有较高的显示精度，保证了电动汽车仪表系统的正确性。下表体现了实验所用的指示数据：
结束语
科学技术正在不断进步与发展，电动汽车仪表的关键技术水平也得到了较大的提升。充分利用总线冲突仲裁机制，能让数据传输的实时性有效增强，而且通过改进系统的电路能够将汽车仪表的抗干扰能力有效提高，整个PCB 的布局更加简洁，控制系统的维护和更新也更加简便，具有较高的应用价值。
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