車門開閉耐久焊點(diǎn)失效優(yōu)化分析研究

周麗杰

摘 要：門開閉耐久軟膜試驗(yàn)階段，出現(xiàn)車門下防撞梁焊點(diǎn)失效。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正車門開閉耐久仿真模型，進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析研究，提高仿真精度，提出切實(shí)可行的優(yōu)化方案，提升車門開閉耐久性。

關(guān)鍵詞：開閉耐久;焊點(diǎn)失效;對(duì)標(biāo)分析;優(yōu)化

0 引言

車門作為駕駛?cè)撕统藛T出入車輛的通道，并隔絕車外干擾，保護(hù)乘員等作用，需要承受經(jīng)常開關(guān)車門的動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用。

一輛非營運(yùn)載客車輛在15年的使用年限內(nèi)開關(guān)車門的總次數(shù)大約為：15×365×12（每天開關(guān)車門次數(shù)）=65700次[1]。對(duì)于營運(yùn)載客車輛，以使用頻率較高的右后車門為例，計(jì)算一輛出租車在8年的使用年限內(nèi)開關(guān)右后門的總次數(shù)大致為：8×365×47.2（對(duì)5輛出租車連續(xù)45天的運(yùn)行情況進(jìn)行了車門使用頻率統(tǒng)計(jì)的平均每天使用頻率）=137824[1]。另中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 323-2007《汽車門鎖和車門保持件》[2]中5.2.5開閉耐久試驗(yàn)，規(guī)定用內(nèi)開和外開方式各做5×104次往復(fù)開閉試驗(yàn)，共計(jì)10萬次，多數(shù)主機(jī)廠用車門開閉耐久次數(shù)不小于10萬次作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。車門作為用戶操作最頻繁的總成之一，其開關(guān)操作耐久性是每個(gè)主機(jī)廠需要設(shè)計(jì)并驗(yàn)證的性能之一，也是用戶直接體驗(yàn)度很高的一項(xiàng)性能。

在實(shí)際使用過程中，由于車門的頻繁開關(guān)，可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致車門鈑金開裂、車門焊點(diǎn)開裂、車門鎖扣出現(xiàn)松動(dòng)、車門玻璃升降異常、車門下垂干涉、車身側(cè)出現(xiàn)密封條磨痕、車門在關(guān)閉狀態(tài)下面差增大等問題，因此在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，車門的開閉耐久性能已然成為評(píng)價(jià)汽車品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。

1 問題描述及分析

某車門在做開閉耐久試驗(yàn)時(shí)下防撞梁焊點(diǎn)出現(xiàn)失效問題。其中車門開閉57000次時(shí)可見第1處焊點(diǎn)失效、開閉100000次時(shí)可見第2處焊點(diǎn)開裂，不滿足100000次目標(biāo)要求，下防撞梁焊點(diǎn)失效如圖1所示。

車門頻繁開閉過程中，在車門鎖扣、鉸鏈和車身連接處產(chǎn)生沖擊疲勞或局部振動(dòng)疲勞，在循環(huán)交變較高載荷作用下，破壞前的循環(huán)次數(shù)較少，小于1×105次，屬于低周疲勞。采用有限元方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，可以精確地發(fā)現(xiàn)問題并快速地解決問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

利用Lsdyna軟件建立了本文車門開閉耐久仿真分析模型，模擬車門開閉過程的顯示動(dòng)態(tài)分析，再將仿真結(jié)果導(dǎo)入Ncode軟件分析車門及周圍車身鈑金、焊點(diǎn)的疲勞損傷分布，并與同期進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析研究，提高仿真精度，并對(duì)薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高車門的耐久壽命。

2 車門開閉耐久仿真分析模型

車門的關(guān)閉過程包括車門繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)、密封膠條及緩沖塊接觸、門鎖系統(tǒng)鎖止、車門反復(fù)回彈等一系列過程。車門關(guān)閉過程中受到的空氣阻力屬于多場耦合問題，本文暫未考慮空氣阻力影響。車門密封條作為車門總成上的關(guān)鍵零件，在車門關(guān)閉過程中起到一定的緩沖作用，吸收的能量約占總能量的8%，同時(shí)密封條具有高度非線性特性，無法精確模擬，利用減少8%的初始能量與其互補(bǔ)，繼而仿真模型車門的初始開啟角度可從4.4°降低為1.4°，大幅度降低仿真時(shí)間。

車門開關(guān)耐久試驗(yàn)涉及玻璃全開、半開和全關(guān)、關(guān)閉速度1.2m/s、關(guān)閉速度1.5m/s等5種狀態(tài)。經(jīng)仿真分析驗(yàn)證，僅考慮玻璃關(guān)閉及關(guān)閉速度1.2m/s這種狀態(tài)，與5種狀態(tài)的車門總損傷相差1.09%，差異較小，將分析狀態(tài)精簡為此一種狀態(tài)，有效的縮短了建模及仿真分析時(shí)間。

本文中的車門結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)式車門，分析模型主要包含部分白車身、車門系統(tǒng)、鉸鏈系統(tǒng)、門鎖系統(tǒng)、玻璃系統(tǒng)等組成。車門質(zhì)量對(duì)初始動(dòng)能起決定性的作用，須保證車門有限元模型與真實(shí)情況一致，因此采用質(zhì)量點(diǎn)的形式對(duì)車門裝配件等進(jìn)行配重處理。

車門的門鎖機(jī)構(gòu)通過棘輪和棘爪的相互嚙合來實(shí)現(xiàn)鎖止功能。開發(fā)初期，供應(yīng)商無法提供鎖機(jī)構(gòu)三維數(shù)據(jù)和性能參數(shù)，用非線性位移彈簧來模擬鎖機(jī)構(gòu)。車門開閉耐久仿真分析模型見圖2。

3 車門開閉耐久仿真對(duì)標(biāo)分析研究

車門下防撞梁與車門內(nèi)板有4個(gè)焊點(diǎn)，車門開閉耐久試驗(yàn)第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為1.75，第二損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為1。車門開閉耐久仿真分析獲得下防撞梁焊點(diǎn)第一損傷點(diǎn)為外側(cè)下部，損傷為1.55，第二損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部，損傷為0.52。仿真與試驗(yàn)相比，第一損傷點(diǎn)的位置不同、損傷值差異較大。以下對(duì)焊點(diǎn)類型影響、車門飾件影響、鎖機(jī)構(gòu)影響進(jìn)行分析研究，并優(yōu)化提升車身下防撞梁焊點(diǎn)耐久性能，達(dá)到目標(biāo)要求。

3.1 焊點(diǎn)類型影響的分析研究

Ncode軟件焊點(diǎn)疲勞分析，基于關(guān)鍵面法原理，計(jì)算不同角度變化情況下基材1、基材2以及焊核的應(yīng)力時(shí)間歷程計(jì)算損傷值，所有情況下最大損傷值即為該點(diǎn)的焊點(diǎn)損傷值。三維六面體焊點(diǎn)單元類型需要先根據(jù)獲取的八個(gè)節(jié)點(diǎn)力和力矩，轉(zhuǎn)化為中間等效的一維單元。

車門下防撞梁位置焊點(diǎn)類型由三維六面體單元改為一維單元，仿真分析獲得第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為24.954，第二損傷點(diǎn)為外側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為0.661。仿真與試驗(yàn)第一損傷點(diǎn)位置已一致，但損傷差異較大，后續(xù)采用一維單元類型焊點(diǎn)繼續(xù)分析研究。一維焊點(diǎn)需要與上下基材垂直，不能像三維六面體焊點(diǎn)一樣批處理建模，操作不方便，適用于局部損傷大、關(guān)鍵位置的焊點(diǎn)。

3.2 內(nèi)外飾影響的分析研究

車門質(zhì)量及分布對(duì)初始動(dòng)能、車門運(yùn)動(dòng)過程起決定性的作用。車門內(nèi)飾質(zhì)量占車門總成總質(zhì)量的14%、車門后視鏡占車門總成總質(zhì)量的4%、車門外下護(hù)板占車門總成總質(zhì)量的5%，將以上三部分集中質(zhì)量點(diǎn)用精確的有限元二維、三維模型模擬，研究對(duì)下防撞梁焊點(diǎn)損傷的影響。

3.2.1 車門內(nèi)飾影響的分析研究

車門內(nèi)飾用二維面網(wǎng)格替換集中質(zhì)量點(diǎn)，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為14.354，第二損傷點(diǎn)為外側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為0.668。車門內(nèi)飾用高精度的二維面網(wǎng)格，內(nèi)飾質(zhì)量分布更加真實(shí)合理，提升了車門總成的整體強(qiáng)度，第一損傷點(diǎn)的損傷明顯降低，降低42%，建議車門內(nèi)飾采用二維面網(wǎng)格模型。

3.2.2 車門后視鏡影響的分析研究

車門后視鏡用三維體網(wǎng)格替換集中質(zhì)量點(diǎn)，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為14.785，第二損傷點(diǎn)為外側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為0.607。車門后視鏡用三維體網(wǎng)格對(duì)第一損傷點(diǎn)的損傷影響較小，損傷差異3%，建議車門后視鏡采用質(zhì)量點(diǎn)單元，可節(jié)省建模、仿真計(jì)算時(shí)間。

3.2.3 車門外下護(hù)板鏡影響的分析研究

車門外下護(hù)板用二維面網(wǎng)格替換集中質(zhì)量點(diǎn)，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為18.343，第二損傷點(diǎn)為外側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為0.550。車門外下飾板用高精度的二維面網(wǎng)格，外下飾板質(zhì)量分布更加真實(shí)合理，第一損傷點(diǎn)的損傷增加24%，建議車門外下飾板采用二維面網(wǎng)格單元。

3.3 鎖機(jī)構(gòu)影響的分析研究

棘輪、棘爪、鎖鉤以及橡膠塊采用實(shí)體單元模擬;門鎖殼體采用剛性單元模擬;扭轉(zhuǎn)彈簧等彈性元件采用彈簧單元模擬，門鎖機(jī)構(gòu)有限元模型如圖3所示。該門鎖機(jī)構(gòu)模型能更真實(shí)地模擬門鎖的鎖止行為，使車門動(dòng)能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化更趨平穩(wěn)，克服了傳統(tǒng)連接單元瞬間鎖止導(dǎo)致瞬態(tài)應(yīng)力過大的問題，并且無需定義鎖止點(diǎn)。鎖機(jī)構(gòu)仿真模型見圖3。

車門鎖機(jī)構(gòu)用二維面單元、三維體單元及彈簧單元替換純彈簧單元，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)，其損傷為1.662，第二損傷點(diǎn)為內(nèi)側(cè)下部焊點(diǎn)，其損傷為0.555。車門鎖機(jī)構(gòu)用有限元網(wǎng)格單元可真實(shí)模擬門鎖及車門的運(yùn)動(dòng)，第一、第二損傷點(diǎn)的位置均已與試驗(yàn)一致，第一損傷點(diǎn)損傷與試驗(yàn)差異5%，具有較高的精度，建議車門鎖機(jī)構(gòu)采用有限元模型，并基于此研究狀態(tài)開展優(yōu)化。各研究方案焊點(diǎn)疲勞損傷見圖4及表1。

4 車門開閉耐久焊點(diǎn)疲勞優(yōu)化

車門開閉耐久試驗(yàn)及仿真分析下防撞梁焊點(diǎn)損傷大于目標(biāo)值1（對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為10萬次），需要優(yōu)化，綜合成本、周期、費(fèi)用、工藝可行性，主要提出以下優(yōu)化方案。

（1）方案1，下防撞梁焊點(diǎn)由4個(gè)增加到6個(gè)，焊點(diǎn)損傷從1.662降低為0.539，焊點(diǎn)耐久次數(shù)達(dá)到18.55萬次。

（2）方案2，在下防撞梁6個(gè)焊點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加一條長50mm、寬5mm的結(jié)構(gòu)膠，焊點(diǎn)損傷從0.539降低為0.322，焊點(diǎn)耐久次數(shù)達(dá)到31.05萬次。

（3）方案3，更改下防撞梁端部結(jié)構(gòu)，增加2個(gè)搭接面，下防撞梁與車門內(nèi)板間焊點(diǎn)數(shù)量達(dá)到7個(gè)，焊點(diǎn)損傷從1.662降低為0.253，焊點(diǎn)耐久次數(shù)達(dá)到39.53萬次。各優(yōu)化方案焊點(diǎn)損傷見圖5。

5 車門開閉耐久試驗(yàn)

首次車門開閉耐久試驗(yàn)已出現(xiàn)下防撞梁焊點(diǎn)失效問題，再次試驗(yàn)前對(duì)基礎(chǔ)材料性能追溯、激光檢測(cè)焊核質(zhì)量、同批次樣件焊點(diǎn)剝離力等確認(rèn)和檢測(cè)。

第二次試驗(yàn)為方案1，下防撞梁焊點(diǎn)由4個(gè)增加到6個(gè)，此方案幾乎無成本增加、可實(shí)施性強(qiáng)。下防撞梁內(nèi)側(cè)上部焊點(diǎn)依然在5萬次疑似失效，通過探傷劑檢查確認(rèn)失效。考慮此方案仿真分析焊點(diǎn)疲勞耐久性提升及可實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采納了此方案，5萬次焊點(diǎn)失效探傷劑顯影見圖6。

第三次試驗(yàn)為方案2，下防撞梁焊點(diǎn)由4個(gè)增加到6個(gè)、同時(shí)增加一條長50mm、寬5mm的結(jié)構(gòu)膠。此方案需要對(duì)設(shè)備改造，增加一個(gè)工位、增加一臺(tái)涂膠設(shè)備。試驗(yàn)后無焊點(diǎn)和鈑金失效，滿足目標(biāo)要求，最終采納了此方案。

方案3需要修改模具，單車成本高、周期長，未驗(yàn)證未采納。

6 總結(jié)

（1）Ncode焊點(diǎn)疲勞分析，一維焊點(diǎn)損傷與試驗(yàn)值具有更好的一致性，但一維焊點(diǎn)需要與上下基材垂直，不能像三維六面體焊點(diǎn)一樣批處理建模，操作不方便，適用于局部損傷大、關(guān)鍵位置的焊點(diǎn)。推薦焊點(diǎn)連接的基材網(wǎng)格尺寸6-10mm，以達(dá)到足夠的剛度。

（2）車門飾件、附件質(zhì)量占比小于5%，一般可以簡化為質(zhì)量點(diǎn)，節(jié)省建模、仿真計(jì)算時(shí)間。占比大于5%，通常推薦用有限元模型，如車門內(nèi)飾、外下飾板等。

（3）門鎖機(jī)構(gòu)模型能更真實(shí)地模擬門鎖的鎖止行為，使車門動(dòng)能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化更趨平穩(wěn)，克服了傳統(tǒng)連接單元瞬間鎖止導(dǎo)致瞬態(tài)應(yīng)力過大的問題，可有效提升仿真精度。

（4）焊點(diǎn)疲勞損傷目標(biāo)小于1，推薦損傷大于0.5的點(diǎn)也需要關(guān)注。優(yōu)化方案的安全余量一般需要達(dá)到5-10倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]漆輝.汽車車門開閉耐久的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與方法研究[J].制造試驗(yàn)，2019.04.13.

[2]中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).QC/T323-2007汽車門鎖和車門保持件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.