車門開閉耐久仿真分析研究及優(yōu)化

喬淑平 徐成民

摘 要：針對在車門開閉耐久試驗過程中，某樣車車門出現(xiàn)的焊點疲勞開裂問題，在考慮鉸鏈連接、密封條連接及焊點細化建模的前提下，建立車門開閉耐久仿真有限元模型;根據(jù)Miner線性疲勞累計損傷理論，對車門開閉模型進行疲勞仿真分析，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的風險點。在此基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化方案，進行仿真疲勞壽命預(yù)測，最終通過試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性。提出了一種針對車門開閉耐久試驗中焊點開裂的疲勞分析優(yōu)化方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段，準確地發(fā)現(xiàn)問題并快速解決問題，可以縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用，具有一定的工程實用價值。

關(guān)鍵詞：車門;焊點;疲勞開裂;耐久仿真

中圖分類號：U463.83+4 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-143-05

Abstract： As for the fatigue crack problem of the welding spot in the prototype vehicle door during the opening-closing durability test， a nonlinear transient finite element model is analyzed based on hinge model， seal model and refining welding spot model. The Miner's linear fatigue damage accumulation rule was used to predict the fatigue life of door through opening and closing model， then risk areas were identified. Considering the fatigue simulation result， an optimization structure is presented and then fatigue life predicted. The durability opening-closing door test proves the validity of the fatigue analysis and optimization. A fatigue life analysis method for welding spot crack in door opening-closing durability test is presented， problems are found exactly and solved quickly during development period， which greatly shorten the cycle and save the cost of development. The proposed method has a significant reference.

Keywords： Car door; Welding spot; Fatigue crack; Durability simulation

前言

車門是汽車的重要組成部分，具有保持人員進出、形成密閉空間、提高結(jié)構(gòu)防撞性等功能。同時作為使用頻率較高的開閉件而言[1]，在實際使用過程中，車門作為駕駛員和乘員出入車輛的通道[2]，由于反復(fù)開關(guān)，會發(fā)生疲勞破壞等問題，因此，在汽車設(shè)計開發(fā)過程中，汽車開閉耐久性能已然成為評價汽車品質(zhì)好壞的重要指標[3]。通常，車門開閉耐久性能是通過車門開關(guān)耐久試驗來評估的，但耐久試驗耗時長，費用高，因此，仿真分析成為汽車車門開閉耐久開發(fā)過程中不可或缺的部分。

錢銀超等[4]針對車門開閉耐久試驗中，玻璃升降器安裝區(qū)域鈑金開裂問題，采用Abaqus/Explicit求解器計算關(guān)門的沖擊應(yīng)力時間歷程，運用疲勞仿真的方法預(yù)測鈑金的危險區(qū)域及壽命，同時提出了優(yōu)化方案并經(jīng)過了試驗驗證。蔣凌山等[2]針對車門三角窗切口處鈑金開裂問題，通過建立關(guān)門有限元模型，進行疲勞壽命預(yù)測，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過車門開關(guān)疲勞試驗驗證。邢志偉等[5]通過非線性顯示求解，進行某微型客車門關(guān)閉的碰撞分析模擬，對瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果使用局部應(yīng)力應(yīng)變法分析疲勞損傷分布，并對車門內(nèi)板等危險位置，進行相應(yīng)的優(yōu)化提高車門的使用壽命。

國內(nèi)汽車廠家都將車門的開閉耐久性能試驗作為汽車開發(fā)過程中的一個必要環(huán)節(jié)[6]。大多數(shù)選擇10萬次作為試驗的標準次數(shù)，即開門、關(guān)門各10萬次[7]。之前的仿真研究主要集中在車門開閉耐久試驗中的關(guān)門分析上，而忽略車門過開對車門的損傷，同時，研究的問題大多只是針對鈑金開裂，也具有一定的局限性。本研究針對開發(fā)階段，樣車車門開閉件耐久試驗中，出現(xiàn)的焊點疲勞開裂的問題，提出了一套解決車門焊點開裂的疲勞仿真流程，如圖1所示，即通過非線性瞬態(tài)和疲勞軟件聯(lián)合仿真，在同時考慮車門關(guān)閉及車門過開工況的影響下，建立詳細車門疲勞仿真分析模型，包括詳細車門鉸鏈建模，密封條及鎖參數(shù)建模，完整的車門附件及內(nèi)飾建模，以及焊點細化建模等。該流程能夠較為準確的進行焊點疲勞壽命預(yù)測，解決車門開閉耐久試驗中出現(xiàn)的開裂問題。

1 車門焊點疲勞開裂分析

隨著汽車輕量化技術(shù)的迅速發(fā)展，對車門鈑金減重也提出了更高的要求。結(jié)合實際的開發(fā)經(jīng)驗，隨著鈑金件的輕量化，在耐久試驗中經(jīng)常會發(fā)生鈑金焊點開裂的現(xiàn)象。某車型樣車開發(fā)階段，在車門開閉耐久試驗中，車門內(nèi)板出現(xiàn)焊點開裂現(xiàn)象。通過觀察實際開裂圖片可知，焊點開裂的位置分別位于，鉸鏈上部三角窗附近（位置1），以及防撞板下端靠近B柱附近（位置2），如圖2所示：

2 疲勞耐久仿真分析優(yōu)化

2.1 非線性瞬態(tài)有限元

根據(jù)車門開閉件耐久試驗，建立詳細車門瞬態(tài)分析有限元模型，包括關(guān)門模型和門過開模型，模型的邊界條件分別如圖3所示。有限元模型的精度是影響疲勞壽命分析的重要因素，因此需要準確定義模型的邊界條件及關(guān)鍵部件的建模參數(shù)。關(guān)門模型中，車門處于關(guān)閉位置，約束車身側(cè)鉸鏈，給車門施加一個繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的關(guān)門速度，大小為1.5m/s，關(guān)門速度的測量點位于鎖扣對應(yīng)車門外板，且沿垂直于鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸方向外延50mm處。車門過開模型中，車門處于最大開啟位置，給車門施加一個繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的開門速度，大小為0.5m/s。

車門關(guān)閉過程包括車門繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)、密封條接觸、門鎖系統(tǒng)鎖止、車門反復(fù)回彈等一系列過程[8]。在車門系統(tǒng)中，系統(tǒng)質(zhì)量矩陣對結(jié)構(gòu)響應(yīng)起決定性作用，必須保證車門鈑金、玻璃、內(nèi)飾及附件等質(zhì)量矩陣準確，其中附件質(zhì)量分布如圖4所示。

鉸鏈在車門開閉過程中起到承載及旋轉(zhuǎn)車門的功能，是一個重要的載荷作用件，其建模的準確性關(guān)系到車門的運動形態(tài)，局部模型如圖5所示，詳細定義各個板件間的接觸，并通過Beam單元來模擬鉸鏈螺栓來連接。

門鎖作為車門關(guān)閉時的主要緩沖模塊，在車門關(guān)閉時所提供的力特性曲線是否準確，是車門耐久仿真分析的重要影響因素。鎖模塊局部建模如圖6所示，鎖鉤與鎖扣之間的接觸通過Connector單元模擬，鎖參數(shù)力特性曲線如圖7所示。

密封條作為車門總成上的關(guān)鍵零件，包括車門內(nèi)圈密封條，車門外圈密封條，以及玻璃密封條等。在車門開閉耐久試驗時，具有一定的緩沖作用。車門密封條主要由軟硬橡膠材料構(gòu)成，具有高度的非線性特性[8]。密封條的建模通過Connector單元模擬，其中某段外圈密封條的材料特性曲線如圖8所示。

針對焊點疲勞開裂問題，根據(jù)工程經(jīng)驗對所關(guān)注的危險區(qū)域，建立焊點細化模型。關(guān)注區(qū)域零件單元的網(wǎng)格尺寸為2mm，針對焊點建立FEMFAT SPOT類型焊點[9]，焊點形式如圖9所示，焊點的板殼單元間以Bar單元連接，對焊點進行疲勞仿真分析。

車門開閉有限元模型包括完整的前門總成及部分白車身，分別建立關(guān)門模型及過開模型，如圖10所示，進行Abaqus非線性瞬態(tài)分析其中，整個模型節(jié)點數(shù)為206893，單元數(shù)為159280。車門過開模型與車門關(guān)閉模型類似，將車門繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)到最大開啟位置，由于鉸鏈和限位器的作用，車門會在最大開啟位置反復(fù)回彈， 因此過開模型中不需要考慮門密封條接觸及門鎖系統(tǒng)鎖止的模擬。

2.2 疲勞損傷理論

2.2.1 Miner線性累積損傷理論

為了準確的估算車門在開閉耐久試驗中的疲勞損傷，采用Miner線性累積損傷理論[10-11]。該理論認為材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的反復(fù)作用并且不斷累積造成的;損傷與循環(huán)次數(shù)成正比，疲勞損傷累積達到破壞時吸收的能量與載荷作用的先后順序無關(guān)，僅由損傷的線性累加決定[2， 9]。

假設(shè)材料在失效前吸收的能量限值為E，失效前的總循環(huán)數(shù)是N，而在某一循環(huán)數(shù)時吸收的能量為E1，材料吸收的能量與其循環(huán)數(shù)n1存在正比關(guān)系：

則在第i個應(yīng)力水平級別下分別對應(yīng)Ni次應(yīng)力循環(huán)時，材料疲勞累積損傷為：

2.2.2 Haigh圖

不同的載荷類型，對疲勞強度是有影響的。如脈沖載荷，循環(huán)對稱載荷等得到的SN曲線是不同的。主要的差別體現(xiàn)在平均應(yīng)力上，即不同的平均應(yīng)力對應(yīng)于不同的S-N曲線。為了考慮平均應(yīng)力對SN曲線的影響，最典型的做法是通過Haigh圖進行平均應(yīng)力的修正，如下圖：

其中，橫坐標為平均應(yīng)力，縱坐標為應(yīng)力幅值。1點為抗拉強度，4點為脈沖載荷下（R= 0）的S-N曲線對應(yīng)的疲勞應(yīng)力極限，5點為循環(huán)對稱載荷下（R= -1）的疲勞應(yīng)力極限，2點和3點是5點與4點連線與屈服強度延長線的交點，6點7點為5點與4點連線與屈服強度延長線的交點。

2.2.3 Neuber法則

在確定塑性變形過程中的局部缺口應(yīng)力和應(yīng)變時，Neuber法則應(yīng)用最為廣泛。為了計算效率和建?？紤]，會將模型進行彈性簡化分析，此時有可能會出現(xiàn)應(yīng)力極值，該極值導(dǎo)致在S-N曲線上極大的損傷值，而實際情況由于材料的塑性行為，這種應(yīng)力極值并不會出現(xiàn)。為了避免這種情況引起的計算誤差，應(yīng)用Neuber法則將彈性應(yīng)力等效到塑性曲線上，如圖12所示。Nerber法則可以通過下面局部塑性屈服方程表示：

2.3 疲勞分析與優(yōu)化

在有限元非線性瞬態(tài)分析的結(jié)果上，針對上述關(guān)門、過開兩個模型，應(yīng)用Haigh平均應(yīng)力修正圖及Neuber等效塑性假設(shè)，結(jié)合Miner線性累積損傷理論進行疲勞壽命分析。其中，在關(guān)門模型中，某時刻應(yīng)力結(jié)果如圖13所示，在風險區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力最大的焊點位置與試驗中開裂一致，而且試驗中未開裂的焊點其應(yīng)力值也遠低于開裂的焊點，沒有開裂風險;應(yīng)力最大的焊點瞬態(tài)應(yīng)力見圖14。

模型評估的是開關(guān)門最終時刻的整體運動趨勢，圖15是關(guān)門模型能量變化圖。在最終時刻車門閉合，門鎖完成鎖止，擠壓密封條，系統(tǒng)處于整體振動并趨于平穩(wěn)?？偰芰吭诶碚撋蠟槌?shù)，但實際模型中有較小的波動，一般在5%左右可以接受。從圖15中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)總能量基本恒定，動能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，耗散能單調(diào)增加。從能量變化圖中，考慮到模型的穩(wěn)定性及疲勞計算的效率，取t=0.03時刻內(nèi)的瞬態(tài)變化進行疲勞求解。

根據(jù)式（2）計算車門開閉模型中，焊點的疲勞損傷總和，換算成疲勞壽命，如圖16所示。在風險區(qū)域中，焊點1和焊點2的疲勞壽命最低，分別為7.8萬次和4.3萬次，不滿足車門開閉耐久試驗中10萬次的要求，仿真中有風險的焊點位置與與實際疲勞開裂的位置（圖2）一致。

在此基礎(chǔ)上對方案進行優(yōu)化，對于焊點1進行局部型面優(yōu)化，加強局部剛度，同時再增加一個焊點，如圖17所示;對于焊點2，增大局部截面，增大焊點之間的間距，增加連接范圍，另外，此處還增加一個加強件，進一步增加了局部剛度，如圖18所示。

針對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，更新有限元模型，得到優(yōu)化方案的應(yīng)力分析結(jié)果;在此基礎(chǔ)上，分別對關(guān)門模型及過開模型進行疲勞仿真分析，并應(yīng)用式（2）統(tǒng)計總的疲勞結(jié)果，如圖19所示。由圖可知，焊點1和2的疲勞壽命分別為61.7萬次和85.6萬次，得到明顯改善，達到10萬次的要求。

3 車門開閉耐久試驗驗證

將上述優(yōu)化方案做進下一輪樣車當中，進行車門開閉耐

久性試驗評價，經(jīng)過10萬次車門開閉后，車門焊點沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象，與仿真結(jié)果吻合。進一步驗證了本研究提出的疲勞仿真分析流程的有效性。

4 結(jié)論

以某車型的車門開閉耐久疲勞仿真開發(fā)為例，建立車門總成及車身的瞬態(tài)有限元模型，包括關(guān)門模型及過開模型，通過對鉸鏈連接、密封條連接及焊點連接進行詳細建模，進行車門開閉耐久仿真分析，找到車門結(jié)構(gòu)設(shè)計的危險點，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及疲勞壽命預(yù)測，最終通過試驗驗證了優(yōu)化方案的有效性。

結(jié)果表明，由此提出的針對車門開閉耐久試驗的疲勞優(yōu)化方法，在產(chǎn)品設(shè)計階段進行耐久仿真分析和優(yōu)化，可以準確地發(fā)現(xiàn)問題并快速地解決問題，能夠有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用，具有一定的工程實用價值。

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