車門限位器安裝面強(qiáng)度基于ABAQUS有限元的應(yīng)用及分析

譚黎浩雅

（曼徹斯特大學(xué)機(jī)械、航空航天和土木工程學(xué)院機(jī)械工程設(shè)計專業(yè) 英國曼徹斯特 M13 9PL）

引言

隨著人類科技的不斷進(jìn)步和人們生活水平的日益提高，消費者對汽車品牌及其舒適性和安全性要求越來越高。作為汽車(尤其是乘用車、轎車)車身系統(tǒng)的重要組成部分，車門在實際使用過程中開閉頻率頗高，需有較高的強(qiáng)度和動態(tài)特性，故其性能優(yōu)劣關(guān)乎整車質(zhì)量。

汽車車身內(nèi)部是一相對密閉的空間，其作用是隔絕噪聲、保護(hù)乘員的安全。車門是車身中使用頻率較高的開閉件，因頻繁開閉導(dǎo)致的疲勞損傷是其最常見的問題。所以車門開閉耐久試驗必不可少，它不僅可檢測車門及相關(guān)部件的安全可靠性，還可檢測其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，從而為工程師進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，這也是車企開發(fā)新車型的必要環(huán)節(jié)。

一、開閉耐久試驗及其影響

車門開閉耐久試驗是基于用戶使用習(xí)慣和環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之下，通過模擬客戶使用車門動作的長周期系統(tǒng)級試驗來驗證使用效果是否符合設(shè)計要求。該試驗的對象不僅僅是車身或外飾，還涉及內(nèi)飾和電子零部件等[1]。該試驗周期定義為：內(nèi)把手或外把手解鎖，車門打開，內(nèi)把手或外把手復(fù)位，開啟位置保持一段時間，車門關(guān)閉直至上鎖，再保持一段時間，即完成一個周期。

表面上看該試驗并不復(fù)雜，但其需要達(dá)到的條件是：在完成十萬次試驗周期之后，車門、車身及其他相關(guān)部件務(wù)必完好無損。不僅如此，工程師須在進(jìn)行耐久試驗之前開發(fā)試驗臺架，該臺架要能模擬用戶的實際使用狀況。但從搭建試驗臺架到完成測試至少需耗時二十八個工作日，且若任意零件在實驗期間損壞則表示測試失敗，須修正試驗方案后重新實驗，如此反復(fù)直至達(dá)到要求為止。顯然這將延長車門的開發(fā)周期，增加車企研發(fā)成本，降低生成效率。

那有何適用而有效的方法來改進(jìn)這項實驗?zāi)兀坑邢拊o力學(xué)分析法可在試驗前對車門及車身限位器安裝區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并由此獲得可滿足試驗要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以節(jié)省試驗資源和縮短車門零部件的開發(fā)周期。

二、ABAQUS有限元法及數(shù)值模擬技術(shù)

（一）有限單元法原理

目前，在實際工程應(yīng)用中常用的數(shù)值求解方法有三種，即有限單元法、有限差分法、邊界單元法以及加權(quán)殘數(shù)法[2]。隨著計算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，有限單元法已成為使用最為廣泛而行之有效的數(shù)值計算法，它幾乎被應(yīng)用于所有的彈塑性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及動力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。

有限單元法的基本思想原理最早見于20世紀(jì)40年代初，其理論思想直至三十年后基本成熟，并逐漸形成用于商業(yè)化的有限元軟件系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是將計算域劃分為有限個互不重疊的單元，并在每個單元內(nèi)選擇合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，再將微分方程中的變量改為由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，并借助變分原理或加權(quán)余量法將微分方程離散求解。

（二）ABAQUS模擬系統(tǒng)

有限單元法分析的實現(xiàn)介質(zhì)主要是有限元分析軟件。目前通用的軟件主要有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP、ABAQUS等。其中，ABAQUS是一套基于工藝模擬系統(tǒng)，專門用于分析各種金屬成形過程的三維(3D)流動，它能夠提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)，也是本文關(guān)于車門限位器安裝面應(yīng)力強(qiáng)度研究的基礎(chǔ)軟件工具。

該系統(tǒng)集成的自動網(wǎng)格重劃生成器可生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)，具有靈活而豐富的界面，它不僅可以給用戶準(zhǔn)備輸入的數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果提供有效工具，還能提供三維幾何操縱修正工具。ABAQUS系統(tǒng)主要包括前處理器、求解器和后處理器三個部分。前處理器的主要功能是用于建立有限元模型；求解器主要用于施加載荷及約束，進(jìn)行求解；后處理器能提供多種處理云圖和數(shù)據(jù)方法，快速獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，并以路線為主線分別說明路徑建立、曲線生成及輸出高質(zhì)量圖像。

三、有限元法在汽車結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

英國工程力學(xué)和計算力學(xué)家辛克維奇(Olgierd Cecil Zienkiewicz，1920-2009，有限元法的先驅(qū)之一)于1967年出版的《The Finite Element Method》[3]一書是最早、最著名的有限元經(jīng)典之作，該書闡述的內(nèi)容從結(jié)構(gòu)、固體拓展至流體，是為全世界幾代研究固體力學(xué)的師生和工程師必讀之書。1975年，Zienkiewicz基于強(qiáng)度儲備概念提出了強(qiáng)度折減法，只是由于當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)相對落后，限制了該方法的使用與傳播而未能得到廣泛應(yīng)用。此后，隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的日趨成熟，一些學(xué)者又提出了新的有限元強(qiáng)度折減理論，并將其應(yīng)用到包括汽車行業(yè)在內(nèi)的各種領(lǐng)域。

在汽車結(jié)構(gòu)分析中，由于有限元法具有獨特的優(yōu)勢，它幾乎能夠解決任意力學(xué)問題，無論是結(jié)構(gòu)形狀還是邊界條件等。有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)于：一，對所有結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析；二，在計算機(jī)輔助和優(yōu)化設(shè)計中，有限元法是最常用的結(jié)構(gòu)分析工具；三，有限元法進(jìn)行各構(gòu)件模態(tài)分析是一種常態(tài)，它可以讓各構(gòu)件的振動模態(tài)在電腦屏幕直觀再現(xiàn)，還可計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，從而較真實地描繪其動態(tài)過程，為汽車零部件結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計提供有效工具。

四、限位器安裝面受力準(zhǔn)靜態(tài)分析

眾所周知，即便汽車駐車在一定坡度上，車門限位器仍可限制車門開啟的角度。顯然，這要求車門即便達(dá)到設(shè)計開門角度時也不會自閉或自開，可見車門限位器的力學(xué)性能是評價車門設(shè)計和使用性能的重要指標(biāo)之一，它制約著車門開閉過程中的輕便與靈活性。因此，保證該零部件擁有良好的力學(xué)與使用性能是車門設(shè)計與開發(fā)中不可忽視的重要目標(biāo)。

圖4-1

采用ABAQUS系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析時，我們可將其理解為采用慢速動態(tài)分析模擬靜態(tài)問題。若系統(tǒng)之慣性效應(yīng)對結(jié)果影響不大，則可用此法分析。該應(yīng)用所采用的積分法為向后歐拉時間積分法，即：

上述三式中，系統(tǒng)位移μ，時間t，時間增量Δt，系統(tǒng)速度v，系統(tǒng)加速度α，殘余力R，系統(tǒng)質(zhì)量M，系統(tǒng)內(nèi)力I，外載荷P。本法要求加載時間足夠長，且計算結(jié)果須考核系統(tǒng)動能在內(nèi)能中的占比。

通過對車門的模態(tài)分析可反應(yīng)出車門結(jié)構(gòu)的振動共性，從而便于避免在行駛過程中出現(xiàn)外部激勵頻率。對車門采用自由組合邊界法進(jìn)行模型分析，較低階段的模型頻率對車門的活動性特征影響在上述條件中較大。車門限位器一般分為拉桿式限位器（又稱為盒式限位器）和扭桿彈簧式限位器兩種類型。此文章使用拉桿式限位器作為研究目標(biāo)。當(dāng)車門推至最大開度時，緩沖塊運行處于最大行程，并與限位器盒接觸，從而實現(xiàn)限位功能。試驗中，車門因慣性作用仍有外開之勢，限位器臂桿起到二力桿之作用，臂桿軸向力一端通過緩沖塊與限位器盒接觸，并將該軸向力傳遞給車門限位器加強(qiáng)板及車門內(nèi)板，其另一端通過安裝支架將力量繼續(xù)傳遞給車身側(cè)圍外板及加強(qiáng)板。可見，在每個開閉循環(huán)過程中，車門及車身限位器安裝面受力最大位置必為車門最大開度之處。

五、模擬分析與及試驗效果

（一）汽車車門有限元模型[4]

車門有限元模型的建立主要包括三維實體模型、曲面提取、模型簡化、有限元網(wǎng)格劃分及定義載荷與邊界條件等。其過程相對復(fù)雜，實現(xiàn)其功能需要付出很大的工作量。實際應(yīng)用中，在車門處于最大開度時，限位器兩端的連接部件受力最大，我們可以此建立有限元物理模型，如圖5.1-1和5.1-2所示：

圖5.1-1 限位器有限元模型

圖5.1-2 車門以及鉸鏈和限位器有限元模型

此時，汽車車門開啟角達(dá)到65°，位于最大開啟角位置。若我們在車門外開手柄處，沿車門開啟向施加100牛頓的荷載，那么試驗荷載可根據(jù)試驗臺架的最大運行速度和車門質(zhì)量求得。建立車門、鉸鏈以及限位器的有限元模型，并在截取位置約束六個方向自由度來模擬鉸鏈以及限位器的安裝固定。車門鈑金件選用6000系列的6022鋁合金材料沖壓而成，其密度為2.86×103kg/m3，楊氏模量為69GPa，泊松比為0.3。鉸鏈以及限位器材料選擇為一般的合金鋼，材料屬性為：密度7.86×103kg/m3，楊氏模量212GPa，泊松比0.288。

假設(shè)使用混合殼體單元模擬車門鈑金件，用四面體單元為主的實體單元模擬車門鉸鏈以及限位器，使用HYPERMESH進(jìn)行模型前處理，以 HINGE 單元位于車門鉸鏈和限位器鉸鏈設(shè)計軸線的前提下，以HINGE 單元模擬鉸鏈及限位器的轉(zhuǎn)動銷。簡化螺栓模型，創(chuàng)建不帶螺紋的實體螺栓模型，設(shè)定實際螺紋形狀有關(guān)的參數(shù)，模擬真實的螺栓連接接觸狀況。此時模型一共涵蓋890989個單元，C3D10單元19010，871395個C3D10單元，19010個S4R單元，584個S3單元。

在模型中建立多處接觸：①車身側(cè)鉸鏈；②限位器盒以及緩沖墊，用以模擬汽車車門打開時的真實狀況。所用的計算方式是基于ABAQUS下的非線性靜力學(xué)求解器。

（二）鉸鏈門開閉耐久試驗及符合要求

汽車開閉件主要包括“四門兩蓋”等相關(guān)金屬結(jié)構(gòu)件，其制造工藝涉及零件沖壓、包邊焊接、零部件裝配、總成組裝等工序，這對尺寸配合及工藝技術(shù)要求甚為嚴(yán)格。其中，由于汽車車門使用最為頻繁，所以其耐久性要求更高。

在本試驗中，試驗標(biāo)的車門將按設(shè)計狀態(tài)裝配置全部部件，工程師用解鎖設(shè)備操作外開手柄或內(nèi)開手柄，并將車門推至最大開度，再按既定的關(guān)門速度推動鉸鏈門至關(guān)閉為一個試驗周期，如此往復(fù)循環(huán)。在此試驗過程中，車門由內(nèi)啟和從外開啟試驗各完成5000—7000次。該試驗?zāi)康脑谟诳己算q鏈門總成及其相關(guān)零部件滿足耐久性設(shè)計要求與否。符合要求條件是：試驗過程中，鎖系統(tǒng)、升降器系統(tǒng)、限位器、鉸鏈等各零部件完全能正常使用；試驗結(jié)束后，各系統(tǒng)及相關(guān)部件依然能正常操作，車門、車身鈑金件和焊點無開裂情況。

（三）影響鉸鏈門開閉耐久試驗的要素

如果對同批次、同生產(chǎn)線上的零件進(jìn)行試驗，且其物理狀態(tài)（尺寸及缺口效應(yīng)、零件及其表面熱處理、表面粗糙程度、殘余應(yīng)力應(yīng)變等）和材料成分（化學(xué)成分、金相組織、內(nèi)部缺陷分布等）均相同，其耐久性時間主要受工況條件的影響[5]。

其實在用戶實際使用過程中，影響車門耐久性能除了關(guān)門速度之外，還有使用頻率和環(huán)境因素[6]。所以只有將這三大要素的試驗狀況無限接近用戶的真實使用情況，并在試驗中進(jìn)行數(shù)萬次不同條件下的開閉耐久試驗，才能獲得最佳的試驗數(shù)據(jù)，從而使產(chǎn)品的設(shè)計使用壽命與用戶實際使用的壽命完美接近。

①關(guān)門速度

◆影響最小關(guān)門速度的因素

無論何種車型，它們都有自己的最小關(guān)門速度，即該車可將密閉性較好的整車車門完全關(guān)閉的最小速度，這是考核車門舒適性的一個重要指標(biāo)。當(dāng)前，大多數(shù)新車的最小關(guān)門速度 V關(guān)門min≤1.1～1.3 m/s。不過，由于耐久試驗中的關(guān)門速度遠(yuǎn)大于整車的最小關(guān)門速度，且通常是四個車門同時進(jìn)行試驗。也即是說，在試驗過程中只要開啟任何一個車門，車體內(nèi)部就變成一個非密閉空間，而且很多車企用來試驗的車輛本來也并不是密封性非常好的整車。在此條件下，由于缺汽車車內(nèi)并非密閉空間，空氣對車門關(guān)閉形成的阻力減弱[7]，車輛的最小關(guān)門速度將減少30%～50%?，F(xiàn)在，我們假如以某車企的某新車型為例，分別開啟其他三個車窗時，測量其駕駛員側(cè)車門的最小關(guān)門速度，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表5.3.1-1所示。

表5.3.1-1 某車企新車型最小關(guān)門速度

簡單地說，汽車的密閉性越好，其車門的最小關(guān)門速度越大，關(guān)門需要施加的外力越大。同理，在最小關(guān)門速度減小的情況下，原最小關(guān)門速度也必然能夠保證耐久試驗中每個循環(huán)完全關(guān)閉車門。通常，越高端的車型，其密閉性越好，由于較大的關(guān)門速度將對車門鈑金、鎖系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等零件造成過度的沖擊和損傷，那車企勢必增加了零部件成本，所以高端車型的總成本更高就成為一種必然。

◆耐久試驗中的關(guān)門速度[8]

即便是同一車型，其使用人群的身高、關(guān)門力量皆有差異。所以為了客觀而精確模擬用戶關(guān)車門時的速度，我們抽選數(shù)十個不同身高的男女對不同車型進(jìn)行試驗來模擬用戶重復(fù)關(guān)閉車門，并將測試數(shù)據(jù)錄入測試系統(tǒng)以備后續(xù)分析。

若各車型所測關(guān)門速度V滿足正態(tài)分布N( μ，σ2)，其中 μ 為總體均數(shù)；σ為總體標(biāo)準(zhǔn)差。再假如模擬用戶數(shù)量為a，每人車門關(guān)閉次數(shù)為b。那么試驗獲得的數(shù)據(jù)為 N = a × b，分別記為 V1、V2……VN。

為了保證采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，a、b的數(shù)值在條件允許時盡可能取大數(shù)字。N個數(shù)據(jù)的均值 μ 和標(biāo)準(zhǔn)差 σ 為：

圖 5.3-1-2

為保證測試數(shù)據(jù)能精準(zhǔn)涵蓋絕大多數(shù)實際用戶，我們將耐久試驗中車門關(guān)閉速度分布在90%的置信區(qū)間，即：μ-1.64σ≤V≤μ + 1.64σ，如圖5.3-1-2所示。若將用較大速度關(guān)門的極少數(shù)用戶暫時標(biāo)定為“濫用”，并在耐久試驗后進(jìn)行濫用試驗，其車門關(guān)閉速度應(yīng)分布在99%的置信區(qū)間外：V＞μ+2.58σ，此部分試驗?zāi)康氖潜ＷC車門無論在哪種用戶的長期使用下，其性能都能保持完好。

②關(guān)閉頻率與使用環(huán)境

車門開閉頻率與使用環(huán)境也是影響耐久試驗結(jié)果的重要因素，但這兩點并不是本文研究的重點，所以此處僅作簡略介紹。

在耐久試驗中，車門開閉的總次數(shù)應(yīng)大于汽車到報廢前的總開閉次數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行安全評估。若用戶僅上下班用車，每天開閉車門次數(shù)為8-12次，每年為2920-4380次。若使用年限按15年計，則車門開關(guān)總次數(shù)為43800-65700次。據(jù)國家商務(wù)部近年頒發(fā)的《機(jī)動車強(qiáng)制報廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》，家用轎車報廢新規(guī)改為“限60萬公里”。若家用轎車使用15年以上，需每半年年檢一次；若行駛超過60萬公里則每三個月年檢一次。雖然新規(guī)可能對車門開閉的次數(shù)有一定影響，但耐久試驗使用總次數(shù)依然將其涵蓋。

從使用環(huán)境看，由于車門處橡膠和塑料件的使用特性隨溫度變化而變化，因此耐熱和耐寒性環(huán)境因素試驗也必不可少。中國幅員遼闊，各地溫差較大，如重慶的炎熱、黑河的嚴(yán)寒、海南的潮濕等都在試驗考慮范圍之內(nèi)。

六、導(dǎo)致安裝面開裂的成因

一般而言，一體式結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)車門鉸鏈加強(qiáng)板的通用方式。加強(qiáng)板覆蓋區(qū)域較大，上下鉸鏈區(qū)域受力均勻，內(nèi)板受力較小，這是其優(yōu)點。但其缺點同樣明顯，由于零部件材料利用率相對較低，質(zhì)量相對增大，沖壓成型難度增加。所以與整體式鉸鏈加強(qiáng)板比較，分體式鉸鏈加強(qiáng)板受力區(qū)域采用分開設(shè)計，各零部件相應(yīng)部位可采用不同厚度，其結(jié)構(gòu)比重減少20%，零件材料利用率得以提高；但另一方面，由于其上下結(jié)構(gòu)分開，中間區(qū)域的剛度較弱，且不連續(xù)，比較容易形成應(yīng)力集中區(qū)域。此外，因車門限位器加強(qiáng)板面積較小，無法將載荷有效傳遞至內(nèi)板大面積區(qū)域，內(nèi)板僅安裝凸臺區(qū)域可受力，從而導(dǎo)致特征線上應(yīng)力集中，最終引發(fā)開裂。

七、試驗結(jié)論

通過車門開閉耐久試驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確模擬車門的關(guān)閉過程，能夠獲得限位器安裝面的應(yīng)力數(shù)據(jù)分布結(jié)果?；贏BAQUS的分析法可在試驗前分析安裝面結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足要求，并將新車型車門（或其他開閉件）開閉耐久試驗結(jié)果與模擬結(jié)果比較，有利于檢驗?zāi)Ｐ偷木_性。通過對車門內(nèi)板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和鈑金疲勞壽命分布分析得出，安裝面金屬疲勞是導(dǎo)致其開裂的重要原因。在有限元模型基礎(chǔ)上，局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和修改零部件厚度的方法能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)并在一定程度上解決其開裂問題，從而調(diào)和高性能、低成本與輕量化的矛盾，并通過該試驗檢驗設(shè)計方案的可靠性。

其實，作為通用的模擬工具，ABAQUS遠(yuǎn)不止用于汽車領(lǐng)域。由于它擁有大量可模擬任意幾何形狀的單元庫和海量材料模型庫，所以除了能解決結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題，還可模擬力學(xué)分析、熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)的固有頻率提取、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分及壓電介質(zhì)分析等諸多工程領(lǐng)域的相關(guān)問題。此外，ABAQUS的二次開發(fā)亦是ABAQUS使用者較熱衷研究的項目。由于可通過對ABAQUS提供的用戶子程序進(jìn)行開發(fā)，還可與其他商業(yè)軟件接口處理，進(jìn)行ABAQUS的二次開發(fā)，從而滿足用戶需要，此開放性設(shè)計使ABAQUS的廣泛性與實用性得以大幅提升。