基于瞬態響應分析的汽車前艙蓋開關疲勞壽命預測

張巖　孟凡亮　吳澤勛　王昌勝

摘要：采用有限元法對汽車前艙蓋進行開關疲勞壽命預測分析.基于Abaqus/Expicit，采用直接積分法對前艙蓋進行瞬態響應分析，得到前艙蓋在關閉過程中的應力時間歷程；運用雨流計數法得到離散的應力循環，采用平均應力修正法得到當量應力譜；根據Miner線性疲勞累積損傷理論預測前艙蓋疲勞壽命和風險位置.優化改進后的前艙蓋結構通過試驗驗證.

關鍵詞：汽車； 前艙蓋； 有限元法； 直接積分法； 瞬態響應； 疲勞壽命

中圖分類號： U463.84； TB115.1 文獻標志碼：B

Abstract：The opening and closing fatigue life of an automobile hood is predicted and analyzed by finite element method. Based on Abaqus/Explicit， the transient response is analyzed for the hood using direct integration method， and the time history of hood stress during closing is obtained； the discrete stress cycles are obtained by rainflow counting method， and the equivalent stress spectrum is achieved by mean stress modification algorithm； according to the Miner linear fatigue damage cumulative theory， the fatigue life and the risk region of the hood are predicted. The optimized hood structure is verified by test.

Key words：automobile； hood； finite element method； direct integration method； transient response； fatigue life

0 引 言

車輛、航空和機械等大型金屬結構設計理念從傳統的以強度為主導轉化為當下的以產品生命周期為最終目標，即在滿足產品預定使用壽命的前提下，盡量減輕產品質量、降低產品能耗和成本.疲勞耐久試驗與其他試驗相比具有耗時長、耗能多、耗資高的特點，因此提高疲勞計算的精度、減少疲勞耐久試驗本身就意味著在保證產品質量的前題下減少碳排放、減少成本并縮短新產品的開發周期.[1]

前艙蓋系統是汽車的重要系統之一.由于設計不當、使用條件惡劣等原因，多次開啟和關閉前艙蓋會導致前艙蓋本體鈑金、焊點及鉸鏈的疲勞失效.前艙蓋開關耐久試驗就是要滿足在規定的開啟關閉次數內，前艙蓋由開啟狀態以一定的速度關閉且鎖機構完全鎖止而不發生失效.在汽車產品上市之前必須要通過耐久性試驗的驗證.

目前，大多數前艙蓋的受力分析主要是基于靜強度分析，通過幾種典型工況下某些特定區域的最大應力值判斷前艙蓋是否會發生失效.此方法不能完全預測臺架中前艙蓋系統耐久性能試驗潛在的疲勞失效風險，具有一定局限性.

本文依據前艙蓋系統耐久性能試驗的相關規范，確定有限元模型的輸入載荷和邊界條件，并對其進行瞬態響應分析，將得到的前艙蓋應力時間歷程作為輸入，進行疲勞壽命分析.瞬態分析能夠更加準確地模擬前艙蓋和鎖機構的運動，并可以模擬鎖柱在鎖機構內的振蕩過程，更加接近試驗狀態.

1 前艙蓋瞬態響應分析

1.1 有限元模型處理

1.1.1 截取模型

截取包含前艙蓋緩沖塊安裝點在內的前艙部分模型，見圖1.截取模型應保留對水箱和緩沖塊安裝位置有加強作用的部件，如水箱橫梁、大燈橫梁等.

1.1.2 緩沖塊

1）緩沖塊接觸端使用剛體單元模擬，并將剛體參考點設置在剛體單元與緩沖塊軸線交點處.

2）緩沖塊使用TRANSLATOR單元模擬，并對不同緩沖塊賦予不同剛度值.各緩沖塊剛度采用試驗測試的剛度曲線確定，見圖2.

3）使用局部坐標系控制TRANSLATOR單元的壓縮方向，定義緩沖塊軸線方向為局部坐標系x軸，且緩沖塊安裝點位置為局部坐標原點，使用ROD單元中的CONN3D2連接緩沖塊軸線下端點與剛體參考點，建立TRANSLATOR單元.模擬緩沖塊模型見圖3.

1.1.3 鎖機構

前艙蓋典型鎖體結構見圖4a.為模擬鎖勾下落時鎖機構鎖死和反彈波動受到的載荷，卡板、蓋板、止動爪和鎖殼都用實體單元模擬.根據彈簧幾何尺寸確定彈簧首尾的彈性中心，并采用SPRING單元模擬.旋轉銷軸處采用HINGE單元模擬.建立接觸關系，最終得到前艙蓋典型鎖體結構簡化模擬模型，見圖4b.

1.1.4 載荷及邊界條件

前艙蓋開啟角度和初始角速度根據前艙蓋系統耐久性能試驗的相關規范確定.以鉸鏈中心點連線為軸旋轉前艙蓋得到開啟角度，有限元模型中的初始角速度施加在鉸鏈的2個旋轉中心上.考慮材料非線性和幾何非線性，并在前艙蓋和鉸鏈上施加重力場.約束車身截取節點，并約束3個平動自由度和3個轉動自由度.

1.2 瞬態響應分析

1.2.1 瞬態響應分析理論

瞬態響應分析的目的是計算結構受隨時間變化的激勵作用下的行為.瞬態激勵定義在時間域中，每個瞬時激勵的大小已知.激勵可以是作用力和強迫運動.[2]

因為顯式算法常采用一個對角的或者塊狀的質量矩陣，所以不必同時求解聯立方程，求解簡單.任何節點的加速度完全取決于節點質量和作用在節點上的力，所以節點計算成本很低.[3]

根據結構和載荷的性質，瞬態響應分析方法分為直接積分法和振型疊加法2種.直接積分法是直接對運動方程進行積分.[4]本案例采用此方法，分析流程框圖見圖5.

1.2.2 顯式分析中質量與能量的校核

質量密度的增加可以潛在地提高分析效率，但模型質量的顯著變化也會對結果產生影響，需要控制模型質量增加不要超過3%.

通過查看分析結果中的能量平衡，可以評估分析過程的正確性.主要校核以下能量指標：動能EKE，內能EIE，外力做功EWK，接觸做功EPW，質量縮放引起的能量變化EMW，黏彈性耗散能ECD，偽應變能EA和總能量ET.

建議EA和ECD均小于1%的EIE，見圖6a；建議EMW接近于0，EWK出現明顯做功狀態，見圖6b；建議EPW接近于0，EKE出現下降后再次上升的狀態，ET不能出現急劇變化，見圖6c.

2 前艙蓋疲勞壽命評估

2.1 疲勞累積損傷理論

有限壽命設計法允許構件的應力集中處存在大于疲勞極限的應力，然而當構件承受大于疲勞極限的應力時，會使材料產生一定的損傷，這種損傷能夠累積，這就是疲勞累積損傷理論.本文用Miner線性疲勞累積損傷理論，對各級應力循環造成的損傷進行累加，利用破壞準則得到有限元模型的疲勞壽命值.根據Miner線性疲勞累積損傷理論[5]可知

2.2 疲勞壽命評估

運用瞬態響應分析得到前艙蓋的應力時程作為輸入，對其進行瞬態疲勞壽命分析.分析采用SN方法，綜合考慮平均應力修正、應力集中、尺寸和表面狀態修正等影響因素，并按照線性累積理論進行疲勞計算.疲勞分析主要流程見圖7.

由耐久性能試驗要求，試驗為模擬10 a使用壽命，開關次數達到5 000次，且相關零件不發生失效.[6]由疲勞仿真分析計算出開關一次的損傷值，并線性疊加得到5 000次時零件的損傷值.損傷最大值出現在前艙蓋內板鉸鏈安裝點附近，疲勞損傷云圖見圖8，損傷值>1，不滿足耐久性要求.針對原始方案進行結構優化，在風險位置處添加一個凸臺，增加局部剛度，并使其局部抗彎能力加強，見圖9.經過疲勞仿真分析可知此處損傷值降至遠小于1.最終改進后的方案通過耐久性能臺架試驗，試驗驗證合格：試驗進行到5 000次結束時，鈑金及焊點無裂紋.

3 結束語

通過有限元法可以較精確地模擬鎖機構和緩沖塊，且緩沖塊剛度和彈簧剛度均為試驗實測值，能夠有效提高分析精度.瞬態應力分析能夠較好地模擬前艙蓋開關響應，特別是關閉后的震蕩過程.基于此應力時間歷程進行疲勞仿真分析，能真實地預測風險位置，并在前期進行優化改進，使試驗一次性通過，既降低研發成本，也縮短開發周期.

參考文獻：

[1]陳怡. 基于瞬態振動有限元解的疲勞分析算例[C]//第八屆中國CAE工程分析技術年會暨2012全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會論文集. 成都， 2011.

[2]王顯會， 石磊. 某特種車架在沖擊載荷下的瞬態響應分析及疲勞壽命評估研究[J]. 汽車工程， 2009， 31（8）： 770771.

WANG Xianhui， SHI Lei. A Study on the transient response analysis and fatigue life evaluation of a special vehicle frame under impact load[J]. Automotive Engineering， 2009， 31（8）： 770771.

[3]Hibbitt， Karlsson & Sorensen， Inc. Abaqus/Expicit有限元軟件入門指南[M]. 莊茁， 譯. 北京： 清華大學出版社， 1998： 3536.

[4]王勖成， 邵敏. 有限單元法基本原理和數值方法[M]. 2版. 北京： 清華大學出版社， 2003： 471472.

[5]李舜酩. 機械疲勞與可靠性設計[M]. 北京： 科學出版社， 2006： 8992.

[6]德國BOSCH公司. BOSCH汽車工程手冊[M]. 顧柏良， 譯. 北京： 北京理工大學出版社， 2010： 754755.

（編輯 武曉英）