某SUV尾門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞耐久分析及優(yōu)化

吳和興，劉 洲，賴(lài)余東

某SUV尾門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞耐久分析及優(yōu)化

*吳和興，劉 洲，賴(lài)余東

（江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西，南昌 330052）

為解決某SUV尾門(mén)在開(kāi)關(guān)使用過(guò)程中出現(xiàn)的疲勞失效問(wèn)題，首先建立了該尾門(mén)的多體動(dòng)力學(xué)模型，模擬了尾門(mén)的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程，提取了尾門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞載荷譜，然后運(yùn)用Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法，對(duì)尾門(mén)進(jìn)行了疲勞分析，準(zhǔn)確重現(xiàn)了此失效問(wèn)題。通過(guò)采用提高材料牌號(hào)及增大安裝圓臺(tái)半徑的改進(jìn)措施，使其通過(guò)了疲勞分析及臺(tái)架試驗(yàn)，表明了此方法的工程有效性。實(shí)踐證明綜合運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)和Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法，能夠有效地支持尾門(mén)開(kāi)關(guān)的疲勞分析。

尾門(mén)開(kāi)關(guān)；多體動(dòng)力學(xué)；疲勞分析

0 引言

汽車(chē)尾門(mén)作為汽車(chē)重要組成部件，其常見(jiàn)的失效模式主要為強(qiáng)度失效和疲勞耐久失效，表現(xiàn)為：尾門(mén)門(mén)鎖與車(chē)身連接處的失效；尾門(mén)與撐桿連接處的失效；尾門(mén)鉸鏈與車(chē)身連接處的失效。本文主要研究尾門(mén)與撐桿連接處的疲勞耐久失效及其解決方法。

在開(kāi)啟件耐久載荷分析過(guò)程中，存在載荷非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性，難點(diǎn)在于開(kāi)關(guān)過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力的提取[1-2]。針對(duì)此問(wèn)題，常見(jiàn)的耐久仿真解決方法有以下三種：慣性釋放法(Inertia Relief Approach)、多體動(dòng)力學(xué)法(MBS)以及瞬態(tài)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析法(Nonlinear Transient Dynamic Approach)[3]。慣性釋放法簡(jiǎn)單方便，但對(duì)模型的精度要求較高，需要提供邊界載荷。多體動(dòng)力學(xué)法需要準(zhǔn)確的參數(shù)信息，并且缺少試驗(yàn)驗(yàn)證性工作[4]。瞬態(tài)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析法也對(duì)模型和載荷的精度要求較高[5]。

一般考察尾門(mén)失效有臺(tái)架試驗(yàn)法和有限元分析法。臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方法是最直接的方法，有效保證了尾門(mén)的耐久性能，但針對(duì)尾門(mén)不能開(kāi)展優(yōu)化分析和減重工作。而有限元分析法采用撐桿最大值載荷，同時(shí)考慮1.5倍的安全系數(shù)，來(lái)開(kāi)展靜強(qiáng)度分析。此分析方法可能會(huì)造成尾門(mén)過(guò)重或者過(guò)設(shè)計(jì)，具有一定的局限性。

本研究采用多體動(dòng)力學(xué)和Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法分析了尾門(mén)開(kāi)關(guān)耐久性能，模擬了尾門(mén)開(kāi)關(guān)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，提取了尾門(mén)的疲勞載荷譜。采用Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法復(fù)現(xiàn)了尾門(mén)失效問(wèn)題，驗(yàn)證了模型的正確性，表明此模型可支持下步的優(yōu)化整改。

1 動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建

尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉整個(gè)分析流程如圖1所示，首先需要?jiǎng)?chuàng)建動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)尾門(mén)數(shù)模及其部件間的連接關(guān)系，創(chuàng)建尾門(mén)的多體動(dòng)力學(xué)模型[6-7]，因連接關(guān)系左右對(duì)稱(chēng)，在此本文介紹左邊連接關(guān)系。把與車(chē)身連接部件作為大地，以下稱(chēng)車(chē)身部件。車(chē)身部件與尾門(mén)鉸鏈機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)副，鉸鏈機(jī)構(gòu)與尾門(mén)采用固定副。車(chē)身與氣動(dòng)撐桿連接方式采用虎克鉸，尾門(mén)與氣動(dòng)撐桿采用球鉸，撐桿與撐桿之間采用移動(dòng)副。由于撐桿與撐桿之間存在作用力，因此需要在模型中增加撐桿作用力。撐桿壓縮位移與力的關(guān)系如圖2所示，阻尼力無(wú)法提供，需要通過(guò)仿真模擬調(diào)試阻尼力。初步創(chuàng)建撐桿與撐桿之間作用力的表達(dá)式，見(jiàn)公式1。在Adams模型中輸入各部件的質(zhì)量及質(zhì)心位置。建立尾門(mén)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

式中：為撐桿力初始值856.4N；為曲線(xiàn)的斜率1.03；為撐桿的位移變化量；為阻尼系數(shù)；為撐桿的開(kāi)啟速度；為撐桿限位力；為撐桿的作用力。

圖2 撐桿力與壓縮位移的關(guān)系

圖3 尾門(mén)多體動(dòng)力學(xué)模型

式中：為撐桿的位移變化量;為撐桿的開(kāi)啟速度;為沖擊函數(shù)觸發(fā)距離位移值4；為剛度系數(shù)3500；為彈性力指數(shù)1.01；為阻尼系數(shù)10；為阻尼力完全作用的斜坡距離0.1。

2 疲勞耐久分析及優(yōu)化

2.1 疲勞耐久分析

針對(duì)尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉失效問(wèn)題，開(kāi)展有限元疲勞耐久分析。首先通過(guò)數(shù)模建立有限元模型，添加平動(dòng)約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，施加尾門(mén)開(kāi)閉提取的載荷譜，如圖5所示。內(nèi)飾相關(guān)重量通過(guò)RB3單元連接的集中質(zhì)量體現(xiàn)[8]。

在圖5所示撐桿位置施加單位載荷，利用有限元軟件計(jì)算在單位載荷下的應(yīng)力結(jié)果，將其位置的動(dòng)態(tài)載荷譜按照臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范組合得到尾門(mén)的時(shí)域載荷歷程，將此歷程與單位應(yīng)變結(jié)果相乘，得到尾門(mén)的時(shí)域應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果。對(duì)應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合材料的S-N曲線(xiàn)，通過(guò)Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法，計(jì)算出尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉循環(huán)使用壽命為21972次，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)次數(shù)25000，如圖6所示。尾門(mén)在開(kāi)關(guān)閉耐久臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行到20653次循環(huán)時(shí)，尾門(mén)與氣動(dòng)撐桿連接處出現(xiàn)失效，如圖7的圓圈所示。疲勞分析的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域及壽命與臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果均很接近，表明了多體動(dòng)力學(xué)輸出的載荷邊界及疲勞分析結(jié)果的有效性，因此該模型可用于下步模型的優(yōu)化改進(jìn)。

圖5 尾門(mén)有限元模型

圖6 尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉耐久仿真結(jié)果

圖7 尾門(mén)撐桿連接處失效圖

2.2 優(yōu)化改進(jìn)

由于尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉試驗(yàn)不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因而需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化主要方向有兩點(diǎn)：一為結(jié)構(gòu)優(yōu)化；二為材料優(yōu)化。本文根據(jù)具體情況綜合考慮，確定材料優(yōu)化方案，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部微調(diào)。即對(duì)尾門(mén)內(nèi)板加強(qiáng)板由材料DC01更換為B250P1，尾門(mén)氣動(dòng)撐桿頭圓臺(tái)半徑由8 mm增大為10 mm。

優(yōu)化方案確定后，需要考察尾門(mén)疲勞耐久是否滿(mǎn)足要求。同樣通過(guò)Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法計(jì)算出尾門(mén)的開(kāi)關(guān)閉循環(huán)使用壽命為95967次，如圖8所示，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)目標(biāo)次數(shù)25000。

圖8 尾門(mén)優(yōu)化方案耐久仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案重新更新了尾門(mén)，并開(kāi)展開(kāi)關(guān)閉試驗(yàn)驗(yàn)證工作，試驗(yàn)按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和流程搭建相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)，圖9為尾門(mén)臺(tái)架試驗(yàn)。設(shè)計(jì)變更后的尾門(mén)最終通過(guò)了開(kāi)關(guān)閉試驗(yàn)，圖10、圖11分別為經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)后尾門(mén)的局部視圖及拆解后的整個(gè)尾門(mén)圖，尾門(mén)未出現(xiàn)失效問(wèn)題，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性和可用性。

圖9 尾門(mén)臺(tái)架試驗(yàn)

圖10 尾門(mén)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果（局部）

圖11 尾門(mén)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決尾門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞失效問(wèn)題，建立了尾門(mén)的多體動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)了解尾門(mén)開(kāi)關(guān)閉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使用阻尼力函數(shù)、沖擊函數(shù)等手段，提取了相應(yīng)的尾門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞載荷譜。運(yùn)用Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法準(zhǔn)確地重現(xiàn)了尾門(mén)疲勞失效問(wèn)題。通過(guò)采用將尾門(mén)內(nèi)板加強(qiáng)板材料由DC01更改為B250P1以及將安裝圓臺(tái)半徑由8 mm調(diào)整為10 mm的整改措施，使得尾門(mén)通過(guò)了疲勞耐久分析，且優(yōu)化方案最終通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。綜上所述，綜合運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)和Miner線(xiàn)性累加疲勞損傷法，能夠有效地支持尾門(mén)的疲勞分析，具有一定的工程參考價(jià)值。

[1] Thirupathi S, Perumalswami S. A comprehensive Study of Door Slam [J]. SAE paper, 2004(1):161.

[2] 柳亮,王峰,王翠,等. 某乘用車(chē)后背門(mén)開(kāi)閉耐久仿真分析及改進(jìn)[A]. 2015中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集(Volume3)[C].中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì):2015.

[3] Shailesh Bayani Maruti. Virtual Simulation of Hood Slam Test [J]. SAE paper, 2011(26):10.

[4] 于顯峰,趙兵,喬鑫,等.汽車(chē)尾門(mén)電撐桿-車(chē)身安裝點(diǎn)變形過(guò)大的分析[J]. 汽車(chē)工程師,2017(4):51-53.

[5] 劉斌.汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)耐久試驗(yàn)研究[J]. 上海汽車(chē),2021(5):56-62.

[6] 安康,毛春升,盛勇生. CATIA的汽車(chē)后背門(mén)氣動(dòng)撐桿參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)工程師, 2010(6):30-32.

[7] 高云凱,馬干干,杜倩倩. 滑移門(mén)系統(tǒng)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)特性研究[J]. 汽車(chē)技術(shù), 2016(9):1-3.

[8] 費(fèi)翔,汪星.淺析某車(chē)型尾門(mén)氣撐桿性能提升[J]. 汽車(chē)零部件, 2018(1):33-36.

FATIGUE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF A SUV TAILGATE SLAM

*WU He-xing，LIU Zhou，LAI Yu-dong

（Product R&D Institute, Jiangling Motors Co. Ltd, Nanchang, Jiangxi 330052, China）

In order to solve the failure problem of a SUV tailgate slam, the multi-body dynamic model of tailgate was built, the dynamic slam process was simulated, the fatigue load spectrum of tailgate slam was extracted, and the fatigue life of tailgate was analyzed by applying Miner Counting Algorithm for Acuminated Fatigue Analysis, and the failure problem was accurately reproduced. Through improving the material trademark and enlargement of mount circular rig radius, the tailgate passed fatigue analysis and test rig experiment, which showed the engineering practicability of this methodology. The practice has proved that the combination of multi-body dynamic and Miner Counting Algorithm for Acuminated Fatigue Analysis can effectively support fatigue analysis of the tailgate slam.

tailgate slam; multi-body dynamic; fatigue analysis

O426.9

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.05.016

1674-8085（2021）05-0085-04

2021-02-22；

2021-05-25

*吳和興(1988-)，男，江西九江人，助理工程師，主要從事汽車(chē)多體動(dòng)力學(xué)分析研究(wuhexing1988@126.com)；

劉 洲(1984-)，男，河南鶴壁人，工程師，碩士，主要從事汽車(chē)多體動(dòng)力學(xué)分析研究(zliu9@jmc.com.cn)；

賴(lài)余東(1986-)，男，江西贛州人，工程師，碩士，主要從事汽車(chē)有限元分析研究(ylai@jmc.com.cn).