汽車車門有限元分析及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳東，楊萬慶，錢銀超，劉向征

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車車門其主要功能是為乘客提供進(jìn)出通道，因此需要經(jīng)受反復(fù)的開關(guān)沖擊應(yīng)力，造成了局部位置出現(xiàn)疲勞開裂問題[1]。車門的開閉耐久周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)成本較高，因此車門的前期仿真很重要。馮長(zhǎng)凱等[2]采用Ncode軟件對(duì)車門進(jìn)行疲勞分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)位置解決開閉耐久問題。喬淑平等[3]考慮了車門關(guān)閉及車門過開工況的影響因素。刑志偉等[4]基于某微型客車車門利用仿真方法預(yù)測(cè)開裂的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。

由于開閉耐久的復(fù)雜性，往往仿真精度較低。究其原因，仿真趨于理論解，并沒有充分考慮產(chǎn)品樣件的實(shí)際制造和試驗(yàn)相關(guān)不確定因素的影響。本文作者以某次開閉耐久試驗(yàn)中開裂為例進(jìn)行研究，首先利用Miner損傷理論對(duì)風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將有限元法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后充分考慮制造等不確定因素的影響，提升設(shè)計(jì)的可靠性，規(guī)避疲勞耐久開裂風(fēng)險(xiǎn)。把其可靠度從46.6%提升到95%，并通過試驗(yàn)證明可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效降低車門開裂問題。文中研究為提前規(guī)避耐久開裂問題提供了一種可靠性設(shè)計(jì)思路。

1 車門的分析理論及流程

開閉耐久仿真分析的流程是，首先通過仿真計(jì)算得到危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力，然后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行線性損傷累計(jì)，最終計(jì)算出疲勞。其風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)變-壽命關(guān)系方程式為

(1)

開閉耐久仿真的理論基礎(chǔ)是線性損傷Miner理論[5]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

式中:σ1，σ2，…，σl代表不同等級(jí)應(yīng)力水平構(gòu)成;N1，N2，…，Nl依次為各應(yīng)力水平下的壽命水平;n1，n2，…，nl依次為各應(yīng)力水平下的損傷;D為總損傷。

2 車門的有限元分析

2.1 車門有限元模型

文中的車門有限元分析模型，基本單元尺寸為10 mm，板殼基本采用殼單元Shell，焊點(diǎn)采用B31單元模擬，焊縫采用RBE2單元模擬。整個(gè)模型包括車門鈑金、白車身、車門附件等。按照車門的實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行配重，最終建立的有限元模型如圖1所示，整個(gè)模型共有254 321個(gè)節(jié)點(diǎn)，226 635個(gè)單元組成。

圖1 車門仿真分析模型

為了保證仿真模型的精確度，對(duì)車門進(jìn)行剛度、模態(tài)和試驗(yàn)標(biāo)定[6]。通過修正仿真建模，其最終的仿真和試驗(yàn)的剛度偏差對(duì)比見表1。通過表1結(jié)果基本驗(yàn)證了模型的精確度。

表1 仿真和試驗(yàn)的剛度偏差對(duì)比

2.2 車門沖擊疲勞分析

2.2.1 沖擊應(yīng)力分析

利用Ncode軟件對(duì)車門進(jìn)行沖擊耐久分析，其邊界條件為約束車身截取端的全部6個(gè)自由度，對(duì)整車門開啟3°～5°，對(duì)車門施加1.8 rad/s的初始角速度，其等效到門鎖扣處為1.5 rad/s，同時(shí)對(duì)模型施加重力場(chǎng)。利用ABAQUS仿真軟件計(jì)算出開閉耐久過程中的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)力[7]。

應(yīng)力最大處為車門窗框處單元在0.048、0.09 s處出現(xiàn)最大應(yīng)力如圖2所示。

圖2 車門關(guān)閉時(shí)風(fēng)險(xiǎn)單元89 452

2.2.2 疲勞分析

利用Ncode疲勞分析軟件對(duì)車門沖擊應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析，分別計(jì)算出全開、半開、全閉3種狀態(tài)下的應(yīng)力。然后對(duì)3種應(yīng)力按照6∶3∶1進(jìn)行組合，利用線性損傷原理計(jì)算的結(jié)果云圖如圖3所示。

圖3 車門開閉耐久分析結(jié)果

經(jīng)過對(duì)車門開閉耐久仿真分析，其風(fēng)險(xiǎn)最大處發(fā)生在窗框區(qū)域位置，該位置應(yīng)力也最大，其壽命為6.3萬次。當(dāng)前車門不滿足10萬次壽命要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 車門可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

對(duì)車門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心就是把設(shè)計(jì)的問題通過數(shù)學(xué)模型來解決，即在約束條件下，求出數(shù)值最優(yōu)解。優(yōu)化分析的三要素即設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)以及設(shè)計(jì)約束[8]。

3.2 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式

經(jīng)上述分析車門門框處焊點(diǎn)疲勞耐久分析不滿足耐久壽命要求，故對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析其數(shù)學(xué)模型[9]為：

Find：{(x1,ρ1),(x2,ρ2),…，(xn,ρn)}T

(1)

Minimize：f(y)=f(x)+f(ρ)

(2)

(3)

式中:xi,ρi為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量；Y(ρ)為優(yōu)化變量；C(yi)、D(yi)為設(shè)計(jì)約束函數(shù)；f(y)為目標(biāo)函數(shù)。

3.3 可靠性最優(yōu)設(shè)計(jì)

可靠性最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化參數(shù)

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括窗框截面長(zhǎng)度L1、窗框加強(qiáng)板長(zhǎng)度L2和窗框加強(qiáng)板厚度T;

(2)設(shè)計(jì)約束定義垂向、側(cè)向、扭轉(zhuǎn)、模態(tài)可略低原始值10%，但需要滿足目標(biāo)值；開閉耐久壽命，不低于10萬次；

(3)優(yōu)化目標(biāo)定義質(zhì)量最輕。

運(yùn)用Optimus軟件采用拉丁超立方方法對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行抽樣，設(shè)計(jì)變量組數(shù)為100組數(shù)據(jù)，利用軟件得到其響應(yīng)面，然后進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定設(shè)計(jì)的最優(yōu)值。最后對(duì)其最優(yōu)設(shè)計(jì)方案加入其制造的波動(dòng)性等不確定因素，如圖5所示。最后進(jìn)行MonteCarlo分析方法可靠性評(píng)估，得出其可靠性設(shè)計(jì)水平，可靠性設(shè)計(jì)流程如圖6所示[10]。

圖5 制造參數(shù)的Weibull分布

圖6 可靠性設(shè)計(jì)流程

可靠性前后設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)變化見表2。

表2 優(yōu)化前后性能對(duì)比

通過可靠性優(yōu)化前后可靠度由46.6%提升到95%，新的可靠性設(shè)計(jì)質(zhì)量基本和原來相當(dāng)。優(yōu)化后的開閉耐久置信度分布如圖7所示(灰色為失效樣本分布)。

圖7 可靠性優(yōu)化后的樣本分布

4 車門開關(guān)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的合理性，優(yōu)化前和可靠性優(yōu)化后的車門分別取5對(duì)車門進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，每隔5 000次進(jìn)行探傷。原方案在試驗(yàn)進(jìn)行到5.2萬次左右兩側(cè)車門均出現(xiàn)不同程度車門門框焊點(diǎn)開裂，如圖8所示。開裂的位置基本和仿真一致。利用可靠設(shè)計(jì)后的車門其未出現(xiàn)開裂問題，進(jìn)一步驗(yàn)證方法的合理性。

圖8 車門窗框開閉耐久失效圖

5 結(jié)論

(1)文中的研究首先通過對(duì)車門開閉耐久性能進(jìn)行有限元分析，然后將有限元法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后充分考慮制造等不確定因素的影響，提升設(shè)計(jì)的可靠性，降低疲勞耐久開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(2)結(jié)果表明，充分考慮制造等不確定因素的波動(dòng)性的可靠性設(shè)計(jì)方法能對(duì)提升車門耐久水平，有一定的幫助作用。

(3)文中的研究把某車門可靠度從46.6%提升到95%，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明方法的合理性。所得結(jié)論對(duì)車門可靠性設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

(4)由于可靠度對(duì)標(biāo)需要大量的樣本，文中研究數(shù)據(jù)量有限存在一定偏差。