基于MSC.FATIGUE的某微客車門疲勞分析及優(yōu)化*

邢志偉，惠延波，馮蘭芳，王宏曉，張 坤

(河南工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造研究所，河南 鄭州 450007)

1 引言

車門作為車身系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著整車使用性能的高低，車門與其他車身結(jié)構(gòu)共同組成了一個(gè)密閉空間，起到隔絕噪聲，保護(hù)車內(nèi)乘員的功能，而作為車身結(jié)構(gòu)中使用頻率較高的開閉件而言，車門出現(xiàn)問題主要是以經(jīng)常開閉而造成疲勞損傷。對(duì)車門進(jìn)行開閉耐久性試驗(yàn)是非常必要的，車門開閉耐久性試驗(yàn)非常耗時(shí)且試驗(yàn)成本高昂，采用有限元進(jìn)行模擬開閉過程并進(jìn)行疲勞分析是可行的方法之一。由于車門關(guān)閉是碰撞過程的一種，因此使用對(duì)碰撞分析能力較強(qiáng)的顯示非線性求解器LS－DYNA來(lái)進(jìn)行某微客車門關(guān)閉過程的模擬，并將其瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入MSC.FATIGUE使用局部應(yīng)力應(yīng)變法即分析裂紋萌生的時(shí)間來(lái)分析車門經(jīng)過10萬(wàn)次開閉后的疲勞損傷分布，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)以提高車門的使用壽命。

2 車門有限元的建立

使用hypermesh對(duì)其進(jìn)行劃分，由于車門主要由鈑金件構(gòu)成，主要使用5 mm殼單元?jiǎng)澐?，并?duì)關(guān)閉中起到接觸作用的車身門框部分進(jìn)行劃分，由于分析重點(diǎn)是車門構(gòu)件，對(duì)門框部分使用10 mm殼單元進(jìn)行劃分，這樣起到減小模型規(guī)模節(jié)約計(jì)算成本的作用，以四面體單元?jiǎng)澐帚q鏈部分，焊點(diǎn)使用MAT100(hexa)進(jìn)行模擬，使用質(zhì)量點(diǎn)的形式對(duì)車門附件，車窗，后視鏡等進(jìn)行配重處理，車門開關(guān)耐久試驗(yàn)包括車窗全關(guān)、半關(guān)和全開3種狀態(tài)，車窗配重按照玻璃全關(guān)狀態(tài)，這種狀態(tài)由于車門重心較另兩種狀態(tài)要高，為最惡劣狀態(tài)，且在日常使用中為最為常見狀態(tài)，整個(gè)模型具有與開閉試驗(yàn)中相同的質(zhì)量以滿足關(guān)閉時(shí)相同的初始動(dòng)能，使用六面體網(wǎng)格模擬密封圈將其材料設(shè)置為彈性材料，如圖1所示。對(duì)門框與車身連接部分進(jìn)行全自由度約束，對(duì)整個(gè)模型施加1 g的重力加速度模擬重力作用，車門開啟約 4°～5°，并對(duì)車門旋轉(zhuǎn)部分施加了1.55 rad/s 初始角速度(門鎖處速度 1.5 m/s)[1]并按照車門關(guān)閉的實(shí)際情況設(shè)置相互之間接觸關(guān)系。

圖1 車門關(guān)閉分析FEM

3 強(qiáng)度分析結(jié)果

使用顯示非線性動(dòng)力學(xué)軟件LS－DYNA進(jìn)行求解，將最小時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為3E－7 s，以保證質(zhì)量增加率保持在2%以下，由于無(wú)法確定準(zhǔn)確的車門由開始轉(zhuǎn)動(dòng)到完全碰撞門框的時(shí)間過程，首次分析將模擬時(shí)間設(shè)置為0.2 s左右進(jìn)行分析，同時(shí)應(yīng)檢查整個(gè)分析流程的能量曲線觀察能量是否守恒，沙漏能是否存在過大的現(xiàn)象[2]，如圖2所示，可以看出整個(gè)分析過程能量基本處于守恒，沙漏能也占比重較小，說(shuō)明模型建立準(zhǔn)確性。

圖2 能量變化曲線

觀察整個(gè)碰撞過程以確定車門完全關(guān)閉所需時(shí)間，取門鎖處節(jié)點(diǎn)相對(duì)門框運(yùn)動(dòng)方向速度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，以速度為0時(shí)視為車門完全關(guān)閉，速度變化曲線如圖3所示，之后疲勞分析取車門開始轉(zhuǎn)動(dòng)到鎖扣處速度為0的應(yīng)力時(shí)間歷程結(jié)果作為疲勞分析的輸入。

圖3 鎖扣處速度變化曲線

由速度變化可看出約0.07 s時(shí)車門與門框完全撞擊，完成一次車門關(guān)閉，由應(yīng)力云圖可以看出0.07 s時(shí)車門結(jié)構(gòu)所承受應(yīng)力也最大，關(guān)閉撞擊時(shí)各個(gè)構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 碰撞時(shí)構(gòu)件應(yīng)力分布

由應(yīng)力云圖可看出車門碰撞時(shí)應(yīng)力較大的部件主要是車門內(nèi)板，門框板和車門鉸鏈的加強(qiáng)板處，由應(yīng)力大小可看出強(qiáng)度分析結(jié)果大部分結(jié)構(gòu)位于屈服應(yīng)力以下，只有較少的部位應(yīng)力大于屈服應(yīng)力。

4 車門關(guān)閉疲勞分析

將在LS－DYNA中模擬的車門關(guān)閉的應(yīng)力歷程結(jié)果文件導(dǎo)入MSC.FATIGUE中，并設(shè)置相應(yīng)材料的疲勞參數(shù)，使用疲勞分析中瞬態(tài)分析選項(xiàng)并進(jìn)行局部應(yīng)變法(E－N法)來(lái)預(yù)測(cè)裂紋萌生的位置與時(shí)間長(zhǎng)短，車門疲勞的分析流程如圖5所示。

圖5 車門疲勞分析流程

4.1 疲勞損傷理論

采用線性的疲勞積累損傷理論中的Miner法則，材料在各個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞損傷獨(dú)立進(jìn)行，總損傷可以線性疊加，當(dāng)積累到某一數(shù)值時(shí)材料或構(gòu)件發(fā)生破壞。Miner法則假設(shè):構(gòu)件所吸收的能量達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞。如破壞前可吸收能量極限值為W，構(gòu)件破壞前縱循環(huán)數(shù)為N，在某一循環(huán)n1時(shí)構(gòu)件吸收的能量為W1，則其吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在正比關(guān)系，即:W1/W=n1/N，這樣構(gòu)件的加載歷程由m個(gè)不同的應(yīng)力水平構(gòu)成，各個(gè)應(yīng)力水平下又對(duì)應(yīng)著m個(gè)不同疲勞壽命和循環(huán)次數(shù)，則損傷為:D==1時(shí)，構(gòu)件吸收能量達(dá)到極限值W，即發(fā)生疲勞破壞[3]。

4.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法

決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變，因此，近代在應(yīng)變分析和低周疲勞的基礎(chǔ)上，提出了局部應(yīng)力應(yīng)變法。構(gòu)件的疲勞破壞，都是從應(yīng)變集中部位的最大應(yīng)變處開始，并在裂紋萌生以前都要產(chǎn)生一定的塑形變形，局部塑形變形是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件，決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的是應(yīng)力集中處的局部應(yīng)力應(yīng)變[4－5]。Basquin方程用彈性應(yīng)變幅的形式構(gòu)造出了彈性范圍內(nèi)應(yīng)變幅與壽命循環(huán)的關(guān)系，Manson－Coffin方程則構(gòu)造出了以塑形應(yīng)變幅為參量的疲勞壽命描述法，之后Manson指出總應(yīng)變對(duì)壽命有很大關(guān)系，而總應(yīng)變壽命曲線在數(shù)學(xué)表達(dá)式上可用Basquin方程和Manson－Coffin方程疊加來(lái)描述為下式。

式中:εe為彈性應(yīng)變幅，εp為塑形應(yīng)變幅，E為彈性模量，σf'為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，εf'為疲勞延性系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，2Nf為反向計(jì)數(shù)的疲勞壽命。

車門由幾種材料構(gòu)成，其中主要采用的dc材料，其應(yīng)變壽命曲線如圖6所示。

圖6 dc材料E－N曲線

5 車門疲勞分析結(jié)果

采用MSC.FATIGUE中的局部應(yīng)力應(yīng)變法，設(shè)置存活率為90%，采用neuber塑形修正法，得到的車門應(yīng)力較大構(gòu)件的疲勞損傷結(jié)果如圖7所示，可以看出壽命最低構(gòu)件是車門內(nèi)板，其最低壽命主要分布在內(nèi)板下端與門框接觸的位置還有鉸鏈連接處(標(biāo)記處)，這與強(qiáng)度分析時(shí)較高應(yīng)力集中的位置一致，說(shuō)明是應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變使其產(chǎn)生的疲勞損傷，其中損傷最高的位置位于鉸鏈連接處，壽命只有82400次循環(huán)低于車門開閉件要求的10萬(wàn)次循環(huán)[6]。

圖7 車門內(nèi)板壽命云圖

經(jīng)過該車門開閉耐久性試驗(yàn)后，在車門內(nèi)板鉸鏈孔處出現(xiàn)裂紋，與分析位置基本一致，需要對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以滿足使用要求。

6 優(yōu)化建議

由于鉸鏈位置在車門懸空過程中承受整個(gè)車門重量，在關(guān)閉時(shí)又有較大作用力所以在開閉中易產(chǎn)生疲勞損傷，因此根據(jù)疲勞分析結(jié)果，建議將鉸鏈加強(qiáng)件厚度由1.0 mm加至1.2 mm以分擔(dān)更多載荷達(dá)到降低應(yīng)力的目的，改進(jìn)設(shè)計(jì)后再進(jìn)行車門關(guān)閉疲勞分析以驗(yàn)證改進(jìn)效果，優(yōu)化后的疲勞云圖如圖8所示，可以觀察到最小壽命點(diǎn)已經(jīng)不是鉸鏈連接處，并作為最小壽命的內(nèi)板下端壽命也達(dá)到了296000次循環(huán)，達(dá)到了車門開閉件100000次循環(huán)的要求。

圖8 優(yōu)化車門內(nèi)板壽命云圖

7 結(jié)論

使用LS－DYNA模擬了某微客前門關(guān)閉過程，并利用其瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入MSC.FATIGUE中使用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行裂紋萌生分析，達(dá)到了在該車型車門開閉件設(shè)計(jì)階段就找到其易產(chǎn)生疲勞損傷的部件，并提出改進(jìn)方法，再次進(jìn)行疲勞分析驗(yàn)證改進(jìn)的效果和可行性。

[1]肖志金.基于MSC.FATIGUE的轎車車門結(jié)構(gòu)耐久分析[A].2010年MSC.Software中國(guó)用戶論文集[C].北京:測(cè)繪出版社，2010.

[2]馮蘭芳.基于LS－DYNA的微型客車正面碰撞分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013(1):99－102.

[3]周傳月.MSC.FATIGUE疲勞分析應(yīng)用于實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社，2005:35－36.

[4]董月香.疲勞壽命預(yù)測(cè)方法綜述[J].大型鑄鍛件，2006(3):39－40.

[5]黃洪鐘，郭東明，華小洋.疲勞壽命分布類判別的模糊方法[J].機(jī)械，2001(z1):13－14.

[6]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).QC/T596－2006，汽車車門保持件[S].2006.