汽車行李箱蓋關閉沖擊及耐久性分析

楊瀠奎　董波　劉帥　尹航

摘要：基于LSDYNA提出一種對汽車行李箱蓋進行關閉沖擊仿真的建模方法.建立密封條和鎖總成的詳細模型，并根據仿真結果對行李箱蓋進行耐久性預測.仿真結果與試驗結果的對比驗證該模型的準確性.該方法可有效仿真汽車行李箱蓋的關閉沖擊及耐久性能，提升設計效率.

關鍵詞：汽車； 行李箱蓋； 關閉沖擊； 耐久性； 仿真； LSDYNA

中圖分類號： U463.84； TB115.1 文獻標志碼：B

Abstract：A modeling method for closing impact simulation of automotive trunk lid is proposed on the basis of LSDYNA. The model of weather strip and lock assembly is built in detail and the durability is predicted according to the simulation results. The comparison of simulation results and test results verifies that the model is accurate. The closing impact and durability of automotive trunk lid can be effectively simulated by the method and the design efficiency can be improved.

Key words：automobile； trunk lid； closing impact； durability； simulation； LSDYNA

0 引 言

行李箱蓋是汽車最重要的外覆蓋件之一.一方面，行李箱蓋的造型風格是車身尾部最富變化和最受人關注的對象之一；另一方面，行李箱蓋是取放行李、工具及其他備用物品的必要通道，使用頻率較高，需要保證多次開閉后鎖系統正常鎖止，部件之間無干涉，鈑金件無開裂.[1]

長期以來，行李箱蓋的耐久性主要依靠開閉耐久試驗評估，不僅耗時長、成本高，而且無法提前發現行李箱蓋的設計缺陷，容易造成“滯后設計”.隨著CAE仿真技術在汽車研發中的廣泛應用，采用有限元法模擬開閉件的耐久性，能夠在設計階段發現并改善問題，從而縮短研發周期，降低成本.

通常，關閉過程是決定行李箱蓋開閉耐久性的主要過程[2]，因此行李箱蓋的開閉性能仿真主要涉及關閉過程.目前主要采用2類方法：基于線性的慣性釋放方法和基于非線性的顯式動力學方法.慣性釋放法將關閉的動態過程簡化為靜態過程[3]，簡單、快速，但無法考察行李箱蓋關閉過程的材料、幾何、接觸等非線性因素的影響[4]；采用顯式動力學分析方法建立仿真模型的過程較為復雜，需要提供較多的非線性參數，但能夠反映行李箱蓋關閉的實際過程，考察各種非線性因素的影響[5].

為準確模擬行李箱蓋的關閉過程，采用顯式動力學方法，基于LSDYNA建立行李箱蓋關閉過程的仿真模型，特別是建立密封條和鎖總成的詳細模型并選擇測點位置，將仿真應變與試驗應變對比，驗證仿真模型的可靠性.最后采用疲勞分析軟件，對行李箱蓋進行壽命預測.

1 有限元模型建立

1.1 行李箱蓋關閉過程

行李箱蓋的關閉過程可分為2個階段：

第一階段，從最大開啟角度開始，行李箱蓋圍繞鉸鏈軸下落階段.該階段，行李箱蓋處于自由旋轉狀態，行李箱蓋內板不與密封條接觸，緩沖塊不與車身鈑金接觸，鎖總成的卡板和止動爪不與鎖扣發生接觸，行李箱蓋不受載荷沖擊，仿真分析時可以忽略該階段.

第二階段，從某一接近關閉的角度開始，行李箱蓋內板后部首先與密封條產生接觸，密封條開始受壓變形，接著緩沖塊逐漸與車身鈑金件表面接觸；然后鎖的卡板與鎖扣發生撞擊并帶動拉伸彈簧旋轉，彈簧的拉力使止動爪產生旋轉將鎖鎖死；最后由于鎖總成內部的間隙導致行李箱蓋在鎖死位置產生若干振蕩，在系統阻尼等能量耗散作用下，逐漸歸于靜止.該階段，行李箱蓋承受較大的沖擊載荷，也是仿真分析主要研究的階段.

1.2 仿真模型組成

根據行李箱蓋關閉過程可知密封條、鎖總成是影響行李箱蓋關閉過程的重要因素，建模過程中應進行詳細建模.為在不影響模型準確性的基礎上減少模型規模，縮短計算時間，仿真模型進行如下簡化.

1）只研究對行李箱蓋開閉過程影響較大的后部車身.

2）忽略安裝在后部車身的內飾件、電器元件等.

3）忽略行李箱蓋關閉過程中空氣阻力的影響.

4）扭桿采用扭轉彈簧代替.

模型采用HyperMesh進行網格劃分和裝配，鈑金件的基本單元尺寸為5 mm，密封條、緩沖塊和鎖結構的基本單元尺寸為1～2 mm，模型信息見表1.建立的行李箱蓋關閉仿真模型見圖1.

1.2.1 密封條模型

密封條[67]在行李箱蓋的關閉過程中變形程度較大，吸收行李箱蓋關閉時的大量動能，有效降低行李箱蓋的沖擊應力，建模過程中應予以重點考慮.行李箱蓋密封條的截面結構見圖2.

按主要功能劃分，行李箱蓋由4部分組成.

1）O型密封圈：材料為EPDM海綿橡膠，位于密封條最外側，直接與行李箱蓋內板接觸，行李箱蓋關閉時產生較大壓縮量，是密封條的主要吸能部分.

2）密實橡膠：材料為EPDM，包裹在U型鋼帶支架外側，硬度較海綿橡膠高，增強密封條裝配到車身上的穩定性，保證密封性.

3）U型鋼帶骨架：密封條裝配到車身上時，起牢固夾持密封條作用.

4）裝配密封圈：材料為EPDM海綿橡膠，位于U型鋼帶骨架內側.密封條裝配到車身上時與車身的鈑金發生擠壓，再與U型鋼帶骨架一起產生裝配預緊力，將密封條牢固壓緊到車身上.

密封條的截面結構較為復雜，通常需對模型進行有效簡化.目前主要有2類方法.一類是將密封條簡化成圍繞車身的一圈彈簧單元，彈簧單元的剛度由密封條的剛度試驗獲得.這類方法建模方法簡單，但由于密封條不同位置的受力方式和壓縮變形量并不一致，若要提高計算精度，則需要根據密封條不同位置的變形狀態對密封條進行分段，根據不同的分段對密封條實施壓縮剛度試驗，以獲取彈簧的剛度參數.另一類方法是根據密封條的組成選擇相應的材料本構模型，建立接近密封條實際幾何特征的有限元模型.這類方法建模精度較高，但確定密封條的材料參數需要大量試驗.

為保證仿真精度，本文采用第二類方法建立密封條模型，見圖3.由于主要考察密封條的受壓吸能特性，對模型進行如下簡化.

1）忽略密封條裝配預緊力，忽略裝配密封圈部分（EPDM海綿橡膠）.

2）為保證密封條與行李箱蓋內板接觸部分的位置不變性，保留密實橡膠和U型鋼帶骨架，并且假定U型鋼帶骨架在仿真過程中保持裝配安裝狀態，不發生變形.

該模型的材料常數擬合較復雜，為提高建模效率，LSDYNA允許通過直接導入海綿橡膠壓力與位移曲線（見圖4）的方式擬合材料的參數.

1.2.2 鎖總成模型

鎖總成模型對于模擬行李箱蓋的關閉狀態起關鍵作用.鎖總成的鎖止時間和狀態對行李箱蓋的應力分布有重要影響.通常為簡化計算將鎖總成簡化成非線性彈簧單元或者帶鎖止特性的連接單元，這種方法建模簡單，但需要通過大量試驗確定鎖總成的鎖止剛度和鎖止時間.為準確反映鎖總成的卡合特性，建立鎖總成的精細化仿真模型，見圖5.卡板、止動爪和鎖扣均采用SOLID單元，鎖扣設置為剛體，連接卡板和止動爪之間的彈簧采用SPRING單元，彈簧的拉伸剛度值由試驗測得.該鎖總成模型不僅能夠準確模擬鎖結構的鎖止狀態，還能反映鎖扣被卡板和止動爪鎖止后，鎖扣在卡板和鎖座的間隙之間振蕩然后逐漸衰減的過程，從而更加真實地反映行李箱蓋關閉時的應力變化.

2 仿真模型驗證

2.1 仿真工況

仿真工況參考行李箱蓋開閉耐久試驗，約束后部車身，行李箱蓋開啟角度為5°，初始關閉速度為1.6 m/s，計算時長為0.1 s，考慮行李箱蓋關閉時重力的影響，施加重力加速度.

2.2 結果分析

仿真計算完成后，檢查能量是否平衡、鎖總成的鎖止狀態是否正常，從而初步判斷結果的合理性.理論上總能量與初始總能量和外力功之和的比值等于1，偏差不應超過5%，整個計算中沙漏能應不超過總能量的5%.經計算，本文模型能量比率（能量比率=總能量/（初始總能量+外力功））為1.03，偏差為3%；沙漏能占總能量的比例為5.1%，略高于工程經驗要求.模型能量隨時間的變化見圖6.

為進一步驗證模型的可靠性，在行李箱蓋外板與鎖加強板連接的焊點位置附近、鎖座的安裝孔附近選擇合適的測點位置，粘貼應變片

（見圖7），然后對行李箱蓋實施開閉耐久試驗.為與仿真狀態一致，調整行李箱蓋關閉到5°左右時的速度為1.6 m/s，實時采集測點位置的應變.

行李箱蓋外板與鎖加強板連接的焊點位置附近的測點應變結果對比見圖8a，鎖座的安裝孔附近的測點應變對比見圖8b和8c.測點的仿真應變與試驗應變幅值一致，且隨時間變化的歷程相似，驗證仿真模型的可靠性.

在疲勞分析軟件中導入行李箱蓋一個關閉周期的仿真結果作為疲勞計算的載荷時間歷程，然后將材料的EN曲線賦值給相應的零件，計算關注零件是否滿疲勞壽命的要求.疲勞壽命計算結果見圖10.

各零件的疲勞壽命結果都在10萬次以上，滿足零件的壽命設計要求.對行李箱蓋實施10萬次開閉耐久試驗后，結果顯示各零部件狀態良好，無裂紋產生，驗證分析結果的正確性.

4 結束語

以某車型行李箱蓋為研究對象，提出一種對汽車開閉件進行關閉沖擊仿真的建模方法.通過對比試驗結果驗證模型準確性.對行李箱蓋耐久性進行仿真預測和試驗驗證，結果表明：該建模方法準確性較高，能有效評估行李箱蓋等開閉件的耐久性.

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（編輯 武曉英）