車門開閉耐久仿真分析研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

胡冬青，周德生，劉向征，喻賽，范建軍

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

車門是汽車的重要組成部分，在日常使用中反復(fù)開關(guān)車門，局部區(qū)域所受應(yīng)力雖未達到材料的屈服極限，但仍可能出現(xiàn)疲勞裂紋進而斷裂，導(dǎo)致異響、生銹和漏水等問題。因此，在汽車設(shè)計開發(fā)過程中，汽車開閉耐久性能已然成為評價汽車品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)[1]。通常，車門開閉耐久性能主要通過車門開關(guān)耐久臺架試驗來評估的。但在項目開發(fā)前期，無試驗樣車；項目開發(fā)后期，若臺架試驗出現(xiàn)開裂問題，需修改結(jié)構(gòu)并重新試驗，這直接影響項目開發(fā)周期和產(chǎn)生大量的試驗費用。仿真分析能夠在項目開發(fā)前期介入，預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)險位置并提出優(yōu)化方案，大幅縮短試驗周期、試錯頻率和費用。

本文以某車型后門為研究對象，通過非線性瞬態(tài)軟件Abaqus/Explicit和Ncode疲勞軟件聯(lián)合仿真，驗證玻璃升降安裝區(qū)域鈑金開裂問題。并對開裂區(qū)域結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)試驗驗證優(yōu)化方案的可行性和分析方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)項目開發(fā)提供參考和分析方法。

1 非線性動力學(xué)及疲勞損傷累積理論

1.1 非線性動力學(xué)理論

車門開關(guān)的實質(zhì)是一個有阻尼多自由度系統(tǒng)的動力學(xué)問題[2]，包括材料非線性、幾何非線性和邊界非線性。

為了得到車門關(guān)閉時與車身撞擊過程結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)，使用Abaqus/Explicit軟件進行瞬態(tài)動力學(xué)分析[1]，瞬態(tài)動力學(xué)分析求解的運動有限元方程為：

其中，M為集中質(zhì)量矩陣，C為集中阻尼矩陣，K為剛度矩陣，為節(jié)點加速度向量，為節(jié)點速度向量，u為節(jié)點位移向量，P為節(jié)點外力向量，F(xiàn)為節(jié)點內(nèi)力向量。

1.2 Miner累積損傷理論

目前，工程中應(yīng)用最為廣泛的疲勞分析理論是Miner 累積損傷理論[3]。該理論認(rèn)為試樣的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的反復(fù)作用下累積造成的，且與載荷的作用順序無關(guān)[4-6]。

假設(shè)試樣所吸收的能量達到極限值W時發(fā)生疲勞破壞，對應(yīng)試樣破壞前的總循環(huán)次數(shù)為N，且認(rèn)為試樣在循環(huán)數(shù)n作用下，與其吸收的能量w之間存在正比關(guān)系，即：

若試樣在l個不同應(yīng)力水平σi作用下，疲勞壽命依次為N1，N2，...，Nl，循環(huán)次數(shù)依次為n1，n2，...，nl，而每個應(yīng)力水平均產(chǎn)生一個對應(yīng)的損傷，其總損傷為：

當(dāng)總損傷=1時，試樣吸收的能量達到極限值W，發(fā)生疲勞破壞。

1.3 局部應(yīng)變壽命法

局部應(yīng)變壽命法（E-N方法）應(yīng)用了材料的“記憶特性”，該方法考慮了載荷循環(huán)順序?qū)勖挠绊懀瑥亩鴫勖A(yù)測結(jié)果與實際情況更加吻合。局部應(yīng)力應(yīng)變法適用于解決高應(yīng)變低周疲勞問題。

Morrow 認(rèn)為疲勞壽命與彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變均有影響。因此彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和的壽命曲線可用Coffin- Manson-Basquin方程式來描述[7]：

式中：ε為總應(yīng)變幅；εe為彈性應(yīng)變；εp為彈性應(yīng)變；σ'f為疲勞強度系數(shù)；2Nf為反向計數(shù)的疲勞壽命；E為彈性模量；ε'f為疲勞延性系數(shù)；b為疲勞強度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)。

2 疲勞分析流程

本文研究用于項目開發(fā)階段，利用CAE手段對樣車開閉耐久試驗的疲勞壽命預(yù)測。利用沖擊強度的瞬態(tài)動力學(xué)分析和Ncode 疲勞軟件聯(lián)合仿真，建立了詳細的車門沖擊強度有限元分析模型，包括詳細的緩沖塊、密封條和鎖參數(shù)建模，并對玻璃全開、半開、全閉狀態(tài)的組合進行了模擬以及詳細完整的車門附件建模。

車門開閉耐久分析一般流程如圖1 所示。首先，利用Abaqus/Explicit求解器進行沖擊強度的瞬態(tài)動力學(xué)分析，獲得各單元時域下的沖擊應(yīng)力；然后在Ncode軟件中基于各單元時域下的沖擊應(yīng)力及結(jié)合沖擊時間歷程，預(yù)測車門結(jié)構(gòu)設(shè)計的危險區(qū)域。

圖1 車門開閉耐久分析流程

3 車門仿真分析及優(yōu)化

3.1 有限元模型

為準(zhǔn)確模擬車門開閉耐久試驗中各零件之間的運動，需建立詳細的車門有限元模型；同時需考慮玻璃狀態(tài)對鈑金壽命的影響，試驗時玻璃狀態(tài)為玻璃全開、半開、全閉狀態(tài)。

整備車門總成模型需包括門鈑金、門飾板、門鎖系統(tǒng)、玻璃和玻璃升降器系統(tǒng)、揚聲器、緩沖塊和密封條系統(tǒng)。門鈑金、玻璃和玻璃導(dǎo)軌采用基本尺寸6mm殼單元模擬，揚聲器、門把手、亮條和門飾板采用集中質(zhì)量Mass單元模擬，并用RBE3單元與車門安裝孔相連，分析模型如圖2所示。

白車身采用柔性車身，車門通過鉸鏈安裝在車身上，并繞著鉸鏈軸以1.5m/s旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，車門與密封條、緩沖塊接觸，鎖扣卡入門鎖棘輪，門鎖棘輪與止動爪反復(fù)嚙合，此時車門各部件反復(fù)回彈直至靜止[8]。

圖2 分析模型

密封條、門鎖和緩沖塊作為車門關(guān)閉時的主要緩沖模塊，在車門關(guān)閉時所提供的力學(xué)特性曲線是否準(zhǔn)確，是車門耐久仿真分析的重要影響因素[9]。

3.1.1 密封條模擬

密封條包括頭道膠條、二道膠條、分縫膠條、水切膠條和玻璃膠條等。

密封條在車門關(guān)閉過程中起到至關(guān)重要的緩沖作用，其剛度直接影響車門動能轉(zhuǎn)換為泡管形變能以及關(guān)門順暢和聲品質(zhì)等，尤其對窗框振動頻率和振幅有很大影響。

頭道膠條、二道膠條、分縫膠條采用CONN3D2單元模擬，連接類型為AXIAL，其剛度由實測確定，二道密封膠條壓縮示意圖和壓縮負荷曲線如圖3、4所示。

圖3 二道密封條壓縮示意圖

水切膠條和玻璃膠條采用CONN3D2單元模擬，連接類型為CARTESIAN和CARDAN組合，并賦予X、Y、Z方向剛度，其剛度由實測確定。

圖4 二道密封條壓縮負荷曲線示意圖

針對關(guān)門速度較大時，需要測量全行程下的密封條壓縮負荷曲線。

3.1.2 鎖機構(gòu)模擬

車門在關(guān)閉過程中，鎖舌沖擊鎖扣，帶動棘輪轉(zhuǎn)動，最終鎖扣沖擊過行程緩沖塊。當(dāng)過行程緩沖塊壓縮一定程度后，車門回彈，門鎖棘輪與止動爪反復(fù)嚙合，車門各部件反復(fù)回彈震蕩并最終鎖止。過行程緩沖塊、棘輪和止動爪彈簧/扭簧的剛度在關(guān)門過程中，對車門動能的吸收、震蕩和過行程的位置起至關(guān)重要的作用，鎖體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鎖體結(jié)構(gòu)示意圖

為準(zhǔn)確模擬門鎖的鎖止，反映車門動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能以及門鎖上鎖時車門的震蕩過程，需將門鎖系統(tǒng)詳細建模，由其自行判斷鎖止點和時間。門鎖殼體用殼體單元模擬；鎖扣、棘輪和止動爪采用實體剛體單元模擬；扭簧采用CONN3D2單元模擬，連接類型為HINGE，扭簧剛度參數(shù)由實測確定，如表1所示；橡膠緩沖塊采用CONN3D2單元模擬，連接類型為TRANSLATOR，其參數(shù)示意圖如圖所示，門鎖機構(gòu)有限元模型如圖6所示。

表1 扭簧主要參數(shù)

圖6 門鎖有限元模型

3.1.3 緩沖塊模擬

緩沖塊在車門關(guān)閉過程中能起到緩沖減震的作用，分析時需考慮緩沖塊的影響。車門正常關(guān)閉下，緩沖塊有一定的間隙量，約1～2mm。緩沖塊采用CONN3D2單元模擬，連接類型為AXIAL，其剛度由實測確定，某緩沖塊剛度曲線如圖7所示。

圖7 緩沖塊剛度曲線示意圖

3.2 車門沖擊強度分析

為提升計算效率，截取一部分車身，約束車身截取面1～6方向自由度，車門開啟3°后，車門繞著鉸鏈軸以1.5m/s旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，并在分析模型中建立通用接觸。

運用Abaqus/Explicit求解器進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，獲得時域下的沖擊應(yīng)力。基于顯式算法理論，根據(jù)各能量分量之間的比較，評估分析結(jié)果的合理性。一般情況，建議偽應(yīng)變能不超過內(nèi)能的10%，動能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，且總能量不能出現(xiàn)急劇變化，趨于常數(shù)。模型能量變化如圖8所示。

圖8 模型能量變化

從圖8可以看出，動能和內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，且偽應(yīng)變能較小，因此判斷分析結(jié)果可信。

車門在0.048s時，鎖扣與門鎖過行程緩沖塊接觸，并壓縮至最低位置，此時門內(nèi)板應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 t=0.048s時內(nèi)板應(yīng)力分布

車門在0.066s時，門鎖棘輪與止動爪第一次嚙合接觸；車門在0.084s時，受慣性力影響，門內(nèi)板Y向運動至極限位置，門內(nèi)板應(yīng)力分布分別如圖10（a）、（b）所示。

圖10 內(nèi)板應(yīng)力分布

車門內(nèi)板材料為DC54D，屈服極限為179Mpa。從不同時刻的應(yīng)力云圖可以看出，高應(yīng)力危險區(qū)域主要分布在升降電機安裝點、門鎖安裝點區(qū)域，尤其是玻璃升降器下安裝點附近區(qū)域。

玻璃升降器下安裝點附近區(qū)域在42.55HZ時出現(xiàn)局部彎曲模態(tài)，如圖11所示。結(jié)合該區(qū)域多次出現(xiàn)高應(yīng)力，需重點關(guān)注，極有可能發(fā)生疲勞破壞。

圖11 內(nèi)板局部模態(tài)

3.3 鈑金疲勞分析

車門開閉耐久為低周疲勞失效，在Ncode軟件采用應(yīng)變疲勞（E-N曲線）準(zhǔn)則，將車門沖擊強度時域下的應(yīng)力歷程文件導(dǎo)入Ncode軟件中，計算得出車門開關(guān)沖擊的疲勞壽命結(jié)果如圖12所示。

圖12 內(nèi)板疲勞壽命分布

從圖12可以看出，內(nèi)板最低壽命為4.38萬次，分布在玻璃升降器下安裝點附近圓角過渡區(qū)域，不滿目標(biāo)5萬次要求。

3.4 優(yōu)化方案確定

經(jīng)車門開閉耐久試驗后，發(fā)現(xiàn)后門玻璃升降器安裝點附近區(qū)域在3.85萬次時，出現(xiàn)鈑金開裂，右后門較左后門開裂明顯，如圖13（a）（b）所示。

圖13 后門開裂位置

對比發(fā)現(xiàn)，仿真的風(fēng)險位置與試驗開裂位置相符，本例中未考慮內(nèi)板材料減薄對疲勞壽命降低的影響，因此仿真最低壽命略高于試驗開裂壽命，是合理的，仿真結(jié)果可信。

通過車門沖擊強度、疲勞壽命和模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在關(guān)門過程中，出現(xiàn)多次回彈折彎現(xiàn)象。同時，開裂位置為三個面交匯處，過渡不夠順暢。基于以上分析，優(yōu)化方案如下：

方案1：將圖14（a）玻璃升降器前側(cè)①處增加加強筋結(jié)構(gòu)，具體如圖14（b）所示。

方案2：在方案1基礎(chǔ)上，將圖14（a）漏液孔區(qū)域②的臺階面下沉6mm，并球化圓角過渡區(qū)域，具體如圖14（b）所示。

圖14 優(yōu)化方案示意圖

更新優(yōu)化方案有限元模型，得到優(yōu)化方案的沖擊強度結(jié)果并代入Ncode軟件中，計算得出車門開關(guān)沖擊的疲勞壽命結(jié)果如圖15（a）（b）所示。

由圖15（a）可知，方案1的內(nèi)板最低壽命為10.2萬次，分布在三角窗導(dǎo)軌下安裝點處，其中原開裂位置處的鈑金最低壽命為65.2萬次。

由圖15（b）可知，方案2的內(nèi)板最低壽命為9.73萬次，分布在玻璃升降器安裝點處，其中原開裂位置處的鈑金最低壽命為1104.6萬次。

對比優(yōu)化方案發(fā)現(xiàn)，方案2的鈑金最低壽命略低于方案1，但原開裂位置的鈑金壽命優(yōu)化效果非常明顯，因此建議采用方案2制作樣車。

圖15 優(yōu)化方案內(nèi)板壽命分布

4 優(yōu)化方案試驗驗證

為了驗證優(yōu)化方案有效性，根據(jù)優(yōu)化方案2結(jié)構(gòu)制作樣 車，進行開閉耐久試驗評價。車門經(jīng)過5 萬次開閉試驗后，車門開關(guān)正常，各部件運作良好，車門鈑金未發(fā)生開裂現(xiàn)象，與仿真結(jié)果吻合，從而驗證了仿真方法的合理性和有效性。

5 結(jié)語

本文以某車型的車門開閉耐久疲勞仿真開發(fā)為例，對密封條、鎖和緩沖塊等吸能部件進行了詳細建模，建立車門沖擊強度分析模型并進行開閉耐久分析，找出了車門結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱點并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞壽命分析，驗證了優(yōu)化方案的有效性和分析方法的合理性，為車門的疲勞耐久設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

本文在提出優(yōu)化方案時，結(jié)合了沖擊強度動態(tài)變形圖、模態(tài)應(yīng)變能云圖等輔助手段拓展優(yōu)化思路，最終獲得滿足工藝、布置等約束的優(yōu)化方案。本文分析方法可適用于發(fā)罩、掀背門和行李箱蓋的開閉耐久分析。