汽車車門有限元分析及綜合性能優化

錢銀超，劉向征，鄧衛東，鄧賽幫

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 引言

車門作為轎車的重要部件，具有緩沖來自外部沖擊，隔絕外界噪聲的作用。在汽車開發設計過程中，車門的結構性能已然成為評價汽車品質好壞的重要指標。車門的主要性能指標包括安裝點剛度、強度、NVH、碰撞以及疲勞耐久等，但這些性能并不是完全一致的，有時甚至是相互矛盾的，如何綜合把控車門性能一直是行業內研究的熱點和難點。文獻[1]利用MSC.Fatigue軟件，基于Miner累積損傷理論對某車型后門進行開關耐久分析，并對疲勞壽命危險區域進行了優化設計；文獻[2]利用瞬態響應法對某微客車車門進行開關強度分析，在此基礎上預測疲勞壽命，并對其進行了試驗驗證；文獻[3]采用Ncode軟件對某SUV車門進行鈑金疲勞損傷分析，并與臺架開閉耐久試驗進行比對，對薄弱位置進行優化。上述研究都只是對車門疲勞壽命進行優化改進，并沒有結合車門其他方面的性能，而關于車門綜合性能優化的研究很少。

以某車型前門為研究對象，針對試驗過程中玻璃升降器安裝區域開裂現象，利用Ncode軟件，基于E-N法和Miner累積損傷理論對汽車前門開關沖擊過程進行疲勞分析，預測疲勞壽命危險區域。并結合玻璃升降器安裝點剛度性能，對前門結構進行局部優化設計，改善前門開裂區域的疲勞壽命以及其他方面的性能，為汽車車門的前期開發研究提供了理論依據。

2 疲勞分析理論及流程

2.1 疲勞損傷累積理論

目前，工程中應用最為廣泛的疲勞分析理論是Miner累積損傷理論[4-5]。Miner從能量的角度出發，其基本假設是：試樣所吸收的能量達到極限值時發生疲勞破壞，且吸收的能量與其循環數之間存在正比關系，即：

式中：n—循環次數；w—循環數n時試樣所吸收的能量；W—試樣破壞前可吸收能量的極限值；N—試樣破壞前的總循環次數。

因此，若試樣的加載歷程由 σ1，σ2，…，σl這樣的 l個不同應力水平構成，各應力水平下的疲勞壽命依次為 N1，N2，…，Nl，各應力水平下的循環次數依次為n1，n2，…，nadb，則當總損傷：

試樣吸收的能量達到極限值W，試樣發生疲勞破壞。上式即為Miner累積損傷理論的數學表達式。

2.2 局部應力應變法（E-N方法）

通常情況下，決定構件疲勞壽命的主要因素是應力集中處的最大局部應力和應變，因此，近代研究中在應變分析和低周疲勞的基礎上，提出了局部應力應變法。構件的疲勞破壞都是從應力集中部位的最大應力處開始，并在裂紋萌生之前會產生塑性變形，而布局塑性變形是疲勞裂紋萌生和擴展的先決條件，故局部應力應變法又稱為裂紋萌生法。它應用了材料的“記憶特性”，并且引入了載荷循環順序的影響，使壽命預測結果更加接近實際情況。局部應力應變法適用于解決高應變低周疲勞問題。

Basquin方程基于彈性應變幅構造出了彈性范圍內應變幅與疲勞壽命的關系；Coffin-Manson方程則以塑性應變幅為參量構造出了塑性應變幅與疲勞壽命的關系，之后Morrow指出總應變是彈性應變和塑性應變之和，并與疲勞壽命密切相關。因此總應變壽命曲線在數學表達上可用Coffin-Manson-Basquin疊加方程式來描述如下[6]：

式中：ε—總應變幅；εe—彈性應變幅；εp—塑性應變幅—疲勞強度系數；2Nf—反向計數的疲勞壽命；E—彈性模量—疲勞延性系數；b—疲勞強度指數；c—疲勞延性指數。

2.3 疲勞分析基本流程

車門開關沖擊疲勞分析一般分兩步進行，首先對車門有限元模型進行沖擊應力分析，在車門門鎖處施加特定的初始速度，并按照車門關閉實際情況設計接觸關系，得到相應的應力分布結果；然后再針對高應力危險部件進行疲勞分析，將沖擊應力時間歷程，材料E-N曲線以及循環次數輸入Ncode軟件中，計算車門模型的疲勞累計損傷及分布，從而預測疲勞壽命危險區域。車門開關沖擊疲勞分析一般流程，如圖1所示[7]。

圖1 車門疲勞分析流程圖Fig.1 Flow Chart of Fatigue Analysis of Vehicle Door

3 車門仿真分析及優化

3.1 車門有限元模型

轎車前門主要包括車門內板、外板、防撞梁、玻璃升降器、加強板、門窗框以及鉸鏈等。采用Hypermesh軟件對其進行網格劃分，鈑金件采用殼單元模擬，鉸鏈、粘膠采用實體單元進行模擬。單元尺寸基本為10mm，并對關閉過程中起到接觸作用的部件進行網格細化，如鉸鏈、鉸鏈加強板、車門鉸鏈安裝部位等。由于車門開關沖擊過程中，車門質量對初始動能起決定性的作用，必須保證車門有限元模型與真實情況具有相同的質量及質心位置，因此采用質量點的形式對車門內飾件、車窗玻璃、車門裝配件等進行配重處理。車門開關耐久試驗包括玻璃全開、半開和全關三種狀態[8]。玻璃全關狀態由于車門重心較另外兩種狀態要高，因此為最惡劣狀態，且在日常使用過程中為最常見狀態，故選取玻璃全關狀態來模擬車門開關強度。車門開關耐久模型選取完整的前門總成以及部分白車身，最終建立的有限元模型，如圖2所示。整個模型節點數為234811個，單元數為219969個。

圖2 車門沖擊分析有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Vehicle Door Impact Analysis

3.2 車門沖擊疲勞分析

3.2.1 沖擊應力分析

基于車門開關耐久有限元模型，在所截取白車身邊緣處進行六個自由度全約束，同時給整個模型施加1g重力加速度以模擬車門自重作用過程，車門開啟角度為3°，對車門關閉方向施加1．7rad/s的初始角速度，對應門鎖扣處的初始速度為 1．55rad/s，并按照車門關閉的實際情況設置接觸關系。利用ABAQUS/Explicit求解器進行計算，得到車門在沖擊過程中應力隨時間的變化情況。其中車門內板在0．12s的計算時間內應力普遍偏高，玻璃升降器下固定點安裝區域在 t=0．072、t=0．078、t=0．102 等時間點出現最大應力，各時間點應力分布云圖，如圖3～圖5所示。

圖3 t=0．072s時應力分布云圖Fig．3 The Stress Distribution Cloud Image of t=0．072s

圖4 t=0．078s時應力分布云圖Fig．4 The Stress Distribution Cloud Image of t=0．078s

圖5 t=0．102s時應力分布云圖Fig．5 The Stress Distribution Cloud Image of t=0．102s

由應力云圖可以看出，玻璃升降器下固定點安裝區域、門鎖安裝位置以及車門鉸鏈安裝區域為高應力危險區域，極有可能發生疲勞破壞，因此在疲勞分析過程中將重點關注這些危險區域。

3.2 .2疲勞分析

將以上車門開關沖擊應力時間歷程結果文件導入Ncode軟件中，基于Miner累積損傷理論和材料E-N曲線，計算得出車門開關沖擊的疲勞壽命結果，如圖6所示。

圖6 車門內板疲勞壽命分布云圖Fig．6 The Fatigue Life Distribution of Vehicle Door Inner Panel

由疲勞壽命分布圖可以看出，車門內板玻璃升降器下固定點安裝區域疲勞壽命為7．1萬次，不滿足車門開閉件設計目標10萬次循環要求。同時該位置在車門開關沖擊過程中疲勞壽命最低，這與車門沖擊強度分析時高應力集中的位置保持一致。

3.3 車門安裝點剛度分析

玻璃升降器安裝點剛度是玻璃升降器工作穩定持久的重要前提和保證。因此在車門結構優化設計過程中必須保證安裝點剛度滿足設計目標要求。安裝點剛度數學計算公式如下[9]：

式中：K—局部剛度；F—沿安裝孔法面施加的力；δ—沿力方向產生的位移。

將車門有限元模型導入Nastran軟件中，約束門鉸鏈安裝孔以及門鎖安裝孔的六個自由度（SPC123456）；在玻璃升降器安裝孔法向施加100N的集中力，計算得出玻璃升降器安裝點剛度為68N/mm，滿足設計目標要求。

3.4 車門綜合性能優化

通過對車門進行沖擊疲勞分析，我們可以發現，車門內板玻璃升降器下固定點安裝區域疲勞壽命最低，這與車門內板實際開裂位置基本一致。因此需要對車門內板結構進行優化設計，結合以上疲勞分析結果、安裝點剛度以及工藝成本等提出了兩種優化方案：方案一將玻璃升降器下固定點安裝區域的內板凸臺面往下降5mm；方案二只將內板凸臺面往下降2mm，同時在凸臺邊緣處增加2mm高的加強筋。優化改進后重新對車門進行沖擊疲勞分析以驗證優化方案是否有效。優化后的車門內板疲勞壽命云圖，如圖7、圖8所示。優化前后車門疲勞壽命以及安裝點剛度對比，如表1所示。

圖7 方案一疲勞壽命分布云圖Fig．7 Fatigue Life Distribution of The First Scheme

圖8 方案二疲勞壽命分布云圖Fig．8 Fatigue Life Distribution of The Second Scheme

表1 優化前后車門綜合性能對比Tab.1 The Comprehensive Performance Comparison Before and After Optimization

方案二優化結果表明：車門玻璃升降器安裝點剛度以及車門開關沖擊最低疲勞壽命均滿足設計目標要求，具有理論可行性。

4 車門開關耐久試驗驗證

優化改進后的車門已經完成了樣車設計與制造，并且順利通過了車門疲勞耐久臺架試驗。首先對車門進行10萬次開關沖擊試驗，并且嚴格監視試驗過程。如果試驗過程中出現開裂失效等情況，則終止試驗，判定車門結構不合格；若試驗過程中沒有出現失效，則判定合格，并且繼續進行開關耐久摸底試驗，直至發生失效為止[10]。車門開閉耐久試驗現場裝置，如圖9所示。經過10萬次開關循環后，試驗過程中并未出現異常現象，各零部件狀態良好，無裂紋產生，滿足設計目標要求。繼續進行摸底試驗，直至12.5萬次時，玻璃升降器下固定點安裝區域出現開裂現象，試驗終止。玻璃升降器下固定點安裝區域開裂情況，如圖10所示。將試驗結果與有限元仿真結果對比，可以發現，車門疲勞開裂位置基本一致，皆發生在玻璃升降器下固定點安裝區域，最低疲勞壽命的數值誤差在10%以內，從而驗證了車門有限元仿真模型的準確性。

圖9 車門開閉耐久試驗現場圖Fig.9 The Scene of Door Opening and Closing Endurance Test

圖10 玻璃升降器安裝點疲勞失效圖Fig.10 Fatigue Failure of Glass Elevator Installation Point

5 結論

通過對某車型前門進行有限元分析以及綜合性能優化設計，可以得出以下結論：（1）對前門進行開關沖擊應力和疲勞仿真分析，得到沖擊過程中應力分布情況以及疲勞壽命危險區域，找出玻璃升降器下固定點安裝區域開裂的真正原因，為后續前門結構優化設計改進提供了理論依據。（2）結合車門疲勞壽命和玻璃升降器安裝點剛度，對車門結構提出了兩種優化方案，結果表明：方案二玻璃升降器安裝點剛度為51N/mm；車門最低疲勞壽命為11.4萬次，均滿足設計目標要求。（3）對優化后的車門進行了疲勞耐久試驗驗證，通過對比試驗結果與仿真結果，可以發現最低疲勞壽命的數值誤差在10%以內，從而驗證了車門有限元模型的正確性。（4）車門結構的局部剛度和疲勞壽命是相互矛盾的，在優化過程中需綜合把控各方面性能。