馮長(zhǎng)凱，王俊，盛守增， 龔義群

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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基于有限元的車門開閉耐久仿真分析

馮長(zhǎng)凱1,2，王俊1,2，盛守增1,2， 龔義群1,2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

摘要：介紹了有限元技術(shù)在車門開閉耐久仿真分析中的應(yīng)用。以某SUV車門為載體進(jìn)行仿真分析，并與同期進(jìn)行的臺(tái)架開閉耐久試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性，為車門的強(qiáng)度耐久設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車門；強(qiáng)度；耐久；有限元分析

0引言

車門是汽車的重要組成部分,具有保持人員進(jìn)出、形成密閉空間、防盜、提高結(jié)構(gòu)防撞性等功能。同時(shí)作為使用頻率較高的開閉件而言，車門經(jīng)常出現(xiàn)因開閉而造成疲勞損傷的情況。通常車門開閉性能是根據(jù)開閉耐久試驗(yàn)評(píng)估，然而試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。而采用有限元方法模擬開閉過程并進(jìn)行疲勞仿真分析是切實(shí)可行的方法。

考慮到車門開閉過程的強(qiáng)非線性(材料、幾何和邊界非線性)，采用ABAQUS軟件建立了某SUV車門模型，完成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軟件分析車門鈑金疲勞損傷分布，并與同期進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，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。

1車門有限元模型的建立

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。車門的有限元模型要綜合考慮開閉耐久過程中對(duì)疲勞損傷起決定作用的因素，模型搭建過程中門把手、揚(yáng)聲器、內(nèi)飾板、玻璃用集中質(zhì)量單元代替。車門關(guān)閉過程中受到的空氣阻力作用問題屬于多場(chǎng)耦合問題，無法精確模擬，因此，文中采用偏于保守的計(jì)算方法，未考慮空氣阻力影響。

目前門鎖一般采用卡板式門鎖系統(tǒng)，通過棘輪和棘爪的相互嚙合來實(shí)現(xiàn)鎖止功能。建模時(shí)采用實(shí)體單元建立棘輪、棘爪、安裝板、鎖鉤模型，扭轉(zhuǎn)彈簧等彈性元件用連接單元模擬，并建立接觸對(duì)模擬實(shí)際碰撞鎖止過程。模型如圖1所示。該鎖機(jī)構(gòu)模型更真實(shí)地模擬了門鎖的鎖止行為，使車門動(dòng)能到內(nèi)能的轉(zhuǎn)化更平穩(wěn)，同時(shí)克服了傳統(tǒng)連接單元瞬間鎖止導(dǎo)致局部瞬態(tài)應(yīng)力過大的問題，并且無須定義鎖止點(diǎn)。

為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，截取側(cè)圍部分模型使之與車門碰撞。進(jìn)行仿真分析時(shí)，約束側(cè)圍，車門開啟8°后給車門施加初始角速度，使車門鎖扣處初速度為2 m/s，車門以該初速度繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)，通過膠條和緩沖塊的接觸減速緩沖，直到鎖機(jī)構(gòu)鎖止，如圖2所示。

在仿真時(shí)長(zhǎng)為0.2 s 的計(jì)算過程中，車門完成碰撞、反復(fù)回彈并最終完成鎖止。車門碰撞瞬間應(yīng)力最大，能量劇烈震蕩，隨后的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定并逐漸衰減至0。

2結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

車門關(guān)閉仿真分析完成后，要整體評(píng)估計(jì)算結(jié)果,需要檢查整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、能量平衡狀態(tài)及應(yīng)力分布情況。

2.1整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及能量平衡狀態(tài)

結(jié)果顯示:車門關(guān)閉過程在約0.04 s后的極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生碰撞,門鎖完成鎖止，隨后系統(tǒng)處于整體振蕩并趨于平穩(wěn),運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)合理。能量是ABAQUS/EXPLICIT分析的一個(gè)重要部分，可以應(yīng)用于各種能量之間的比較，來評(píng)估分析是否得到了合理的響應(yīng)。

總能量，理論上為常數(shù)，但實(shí)際模型中有較小的波動(dòng)，一般來說變化范圍在±5%左右均可以接受，超出±10%則一定不能接受。偽應(yīng)變占內(nèi)能的比值，小于10%。

圖3所示為模型能量變化，可以發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)總能基本恒定，動(dòng)能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化,內(nèi)能振幅減小并趨于定值，摩擦耗散能單調(diào)增加。

數(shù)值處理顯示：系統(tǒng)總能量變化幅度小于5%，同時(shí)沙漏現(xiàn)象的控制情況可以通過虛擬應(yīng)變能EV與內(nèi)能EI的比值來體現(xiàn)：

2.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

在0.2 s的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，車門內(nèi)板應(yīng)力急劇變化，玻璃升降器安裝點(diǎn)、門鎖安裝孔位置分別在t=0.046、0.068、0.142 s等時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)最大應(yīng)力,應(yīng)力分布如圖4—6所示。以下分別截取了這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)車門內(nèi)板的應(yīng)力云圖，可見：車門最大應(yīng)力分別為249、207和188 MPa，均高于內(nèi)板鈑金材料的屈服極限150 MPa。

由于車門內(nèi)板應(yīng)力水平處于較高狀態(tài)，有發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)，因此以下將對(duì)該鈑金件進(jìn)行疲勞壽命分析，確定其壽命分布，并重點(diǎn)關(guān)注玻璃升降器安裝點(diǎn)、門鎖安裝孔位置。

3車門疲勞分析結(jié)果

疲勞壽命指的是疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù),采用基于Miner法則損傷累計(jì)計(jì)算。通常把疲勞破壞類型分為高周疲勞和低周疲勞。由于車門關(guān)閉疲勞破壞主要是低周應(yīng)變破壞，因此在nCode中采用應(yīng)變疲勞(E-N曲線)準(zhǔn)則，得到的車門內(nèi)板的疲勞損傷結(jié)果如圖7所示。

從壽命分布可見，車門內(nèi)板在玻璃升降器安裝點(diǎn)和門鎖安裝孔位置壽命較低，這與前期分析一致，最大壽命小于3 000次。結(jié)合同期所做的車門開閉耐久試驗(yàn)，玻璃升降器安裝點(diǎn)位置在試驗(yàn)5 000次左右發(fā)生開裂，量級(jí)和位置基本一致，不符合車門開閉耐久規(guī)范要求，需進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化變更。同時(shí)，對(duì)仿真識(shí)別的門鎖安裝孔位置，試驗(yàn)結(jié)果顯示此處無開裂，后期還需嚴(yán)密觀察及綜合評(píng)價(jià)。

4結(jié)論

通過對(duì)車門開閉耐久模型的合理建立和仿真，準(zhǔn)確模擬了車門關(guān)閉碰撞鎖止過程，獲得了各部件的應(yīng)力分布結(jié)果。同時(shí)對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)的車門內(nèi)板分析了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和鈑金疲勞壽命分布。分析結(jié)果顯示：車門門鎖安裝孔位置有疲勞風(fēng)險(xiǎn)，這與同期所做的車門開閉耐久臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，開裂位置、量級(jí)基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了FEM仿真分析的準(zhǔn)確性，為車門的強(qiáng)度耐久設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

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Fatigue Analysis of Slam Door Based on FEM

FENG Changkai1,2,WANG Jun1,2,SHENG Shouzeng1,2, GONG Yiqun1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China; 2.The Automobile Engineering Technology Research Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Slam door; Strength; Fatigue; FEM analysis

Abstract:FEM was used to evaluate the fatigue performance of the slam door. A SUV slam door modal was created and the fatigue analysis was done. It is shown that the FEM analysis is reasonable comparing with the bench test results. It provides reference for strength durability design and optimization of the slam door.

收稿日期：2016-03-03

作者簡(jiǎn)介：馮長(zhǎng)凱(1981—)，男，工程師，研究方向?yàn)檎噺?qiáng)度及疲勞耐久分析。E-mail:ck_feng@126.com。

中圖分類號(hào):U463.83+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-054-03