摘要：车辆在行驶过程中所受载荷随机多变，车辆结构的振动疲劳问题越来越受到关注。本文结合实际工程项目，首先利用RADIOSS求解器对制动盘防尘罩及降成本预案进行了模态应力及频率响应分析，接着对其进行振动疲劳寿命数值模拟。对比仿真结果表明，应用此方法可以有效指导设计人员进行方案的选定。实车耐久试验表明，应用此方法可以准确有效的预测防尘罩疲劳寿命薄弱部位，为今后其他零部件及总成相关分析指明了方向。

关键词：随机振动 RADIOSS 防尘罩疲劳寿命耐久试验

0引言

由于工业、交通和国防技术的需要，结构疲劳技术及后来发展的断裂力学已在航空、航天、能源、交通、建筑、化工等领域得到深人的发展和广泛应用。现在，我们又注意到在结构疲劳破坏中包含的一类重要问题，那就是如果交变载荷的频率与结构的某一和某几阶共振频率一致或相接近时，结构将会发生共振，这时一定的激励将会产生更大的响应，以致更加易于产生破坏。问题涉及到结构共振响应，显然需要利用结构动力学技术加以研究，从而可以揭示一些与结构动态特性有关的规律，这一问题称为振动疲劳或动态疲劳问题。

振动疲劳是结构所受动态交变载荷（如振动、冲击、噪声载荷等）的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近，从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象，也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。

车辆在行驶过程中所受载荷随机多变，车辆结构的振动疲劳问题日益受到重视。由振动载荷造成的破坏形式主要有三种：一为共振导致的结构破坏；二为最大响应超过结构危险点的临界值而引起的破坏；三为结构损伤的累积而引起的破坏。其中累积疲劳损伤破坏是车辆构件失效的主要原因。

本文采用数值分析方法，通过动力学仿真计算，得到结构在频域上的动应力响应功率谱密度函数，应用Dirlik法来预测雷达罩的振动疲劳寿命。

1随机振动疲劳寿命理论

随机载荷的长期作用会使结构产生随机疲劳。一般的随机载荷，其应力幅值和平均应力都是随机变化的，而宽带随机振动比窄带随机振动的疲劳计算更复杂，通常采用计数法得到应力的幅值概率密度函数。最常用的方法是窄带法、Wirsching法和Dirlik法。

Dirlik方法是基于计算机仿真技术提出的，将概率密度函数定义为一个经验封闭表达式，实际的工程应用证明这是至今为止最好的方法。Dirlik在已知结构的应力响应功率谱密度前提下，利用Monte-Carlo模拟计算生成伪应力-时间历程，再用雨流循环计数法处理得到如下应力幅值概率密度函数，它适用于任何类型功率谱。

2防尘罩振动疲劳分析

2.1项目介绍

某平台乘用车制动盘防尘罩为沿用件，原件包含加强板。如下图1所示。通过分析其他竞品车防尘罩，设计工程师考虑通过取消加强板达到降成本目的，看方案是否可行。

2.2有限元模型

利用HyperMesh软件进行网格划分。钣金件用pshell单元进行模拟，焊点采用Cweld单元进行模拟。模型如图2所示。有限元模型共包括单元20900个壳单元，三角形比例小于5%，9个焊点单元。

2.3 材料属性

防尘罩总成材料清单见下表1所示：

2.4 边界条件

由图1所示，防尘罩总成通过4个螺栓固定在关节头上。轮心的加速度载荷谱通过8万公里耐久试验道路测试采集得到如下图3所示。

时域载荷谱统计特征列表如下表2所示，加速度均值基本为零。

通过傅里叶变换，得到频域下的载荷谱如下图4所示：

3分析内容

3.1 模态应力

进行模态分析的目的在于了解模型的动态特性，并求取模态坐标下每个单元的应变能密度，用于后续实际载荷下振动疲劳寿命分析。

根据加载的情况，模态分析的边界条件为与关节头固定的四个螺栓处固支。模态应力结果如下图5所示。

防尘罩前六阶模态频率对比如表3所示，其中，第一阶模态频率下降2.6%，其它几阶模态频率误差较小。

3.2 频率响应分析

利用RADIOSS求解器计算单位载荷作用下的各单元的应力响应功率谱。

防尘罩与轮心固定端施加单位加速度载荷谱，方向为垂直方向（Z向）。计算方法为模态法频率响应分析。

3.3 疲劳寿命分析

把上两节中的模态应力结果、单位载荷下的频率响应结果及实际的轮心加速度功率谱密度输入到疲劳软件中，可以得到每个单元节点实际载荷下的等效应力功率谱密度，其中最大节点（Node 29838）的等效功率谱密度如下图6所示：

由图6可以看出，防尘罩在一阶共振频率78Hz附近有个明显的峰值。可以很好的说明后面的疲劳寿命对比相差较大的原因。

材料的S-N曲线、Node 29838的局部S-N曲线及Haigh图如下图7、图8所示：

由图7、图8可以看出，最危险点疲劳寿命也在安全区域内。

4结果分析

4.1 计算结果

防尘罩及降成本方案整体寿命云图对比如下图9所示：

Node29838为疲劳寿命最小位置，此位置对应螺栓连接点。由于此处应力值可能失真（应力奇异），因此多选取危险位置附件没有应力集中影响的几个点，增加说服力。防尘罩危险位置寿命对比如下表4所示：

从表4总体来看，相比原始方案，降成本方案疲劳寿命约小60%。

4.2 试验结果对比

本次降成本方案在仿真分析完成以后进行实车耐久试验。在4万多公里时发现防尘罩如下位置发生开裂，如下图10所示，开裂位置与仿真结果位置吻合。

由于原始方案在8万公里耐久试验时未出现开裂现象，所以判断降成本方案不可行。

5总结

此次分析尝试了一种新的分析方法，在载荷为随机振动信号的情况下，准确有效地找到了防尘罩疲劳寿命恶劣的区域，相对于时域法，频域方法是一种更具优势的方法，通过此方法可以有效指导设计人员进行方案的选定，也为其它零部件及总成的类似疲劳分析做好铺垫。

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Random Vibration Fatigue Analysis of Dust-preventer Cover Using RADIOSS

Cheng Yanan Wang Feng Shi Jianpeng

Abstract：. The loads a driving vehicle undergoes were varied and random. The problem of the vehicle vibration fatigue has been paid more and more attention. In this paper, according to the practical engineering project, the modal stress and frequency response analysis was carried out by RADIOSS, then the vibration fatigue simulation was carried out on vehicle dust-preventer cover. The simulation result proved that the method introduced in this paper was effective and valuable for design engineers. The practical vehicle durability experiment indicates that the hot spots of the dust-preventer was accurately and effectively figured out by the method mentioned in this paper, and the method will be a reference for other component or assembly vibration fatigue life analysis.

Key words：Stochastic Vibration, RADIOSS, Dust-preventer Cover, Fatigue Life, Durability Experiment

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