顧曉丹， 劉高領(lǐng)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心,廣西柳州 545007)

0 引言

汽車車門在實際使用過程中開關(guān)頻率較高，車門的開關(guān)耐久試驗是新車型開發(fā)過程中的一個必需環(huán)節(jié)。試驗要求在完成10萬次的開關(guān)耐久試驗以后，車門以及車身相關(guān)部件不得有損壞。但是該項試驗試驗周期長，從試驗臺架的搭建開始到最后完成試驗至少需要28個工作日，期間如果有任意零件損壞則該項試驗均不通過，需要重新修改方案再進(jìn)行試驗驗證,如此長周期的驗證工作大大延長了車門的開發(fā)周期。文中提出一種有限元靜力學(xué)分析方法,可以在試驗前對車門及車身限位器安裝區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，由此得出能夠滿足試驗要求的結(jié)構(gòu)，保證試驗一次性通過，節(jié)省試驗資源，縮短零件開發(fā)周期。

1 限位器安裝面受力分析及有限元分析流程

1.1 限位器安裝面受力分析

限位器具有兩個功能：(1)限制車門的最大開度；(2)門半開和全開時的停位功能。限位器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉸鏈門限位器結(jié)構(gòu)示意圖

限位器安裝在上下鉸鏈之間，如圖2(a)所示。圖2(b)所示為車門關(guān)閉時限位器與車門配合狀態(tài)，此時臂桿在限位器盒中可以自由滑行，車門及車身側(cè)限位器安裝面不受力。

圖2 限位器工作原理

圖2(c)所示為車門開到最大開度時限位器與車門配合狀態(tài)，此時緩沖塊運行至最大行程與限位器盒發(fā)生接觸，起到限位作用。在試驗時，當(dāng)車門開至最大開度時雖然有限位器的限位作用，但是由于慣性作用車門仍然有繼續(xù)外開的趨勢，限位器臂桿此時起到二力桿的作用，臂桿的軸向力一端通過緩沖塊與限位器盒的接觸傳遞給車門限位器加強(qiáng)板和車門內(nèi)板，另一端通過安裝支架傳遞給車身側(cè)圍外板及加強(qiáng)板。由此判斷在車門一個開閉循環(huán)過程中，車門在最大開度位置時，車門及車身限位器安裝面受力最大。

1.2 有限元分析流程

目前國內(nèi)汽車零部件的設(shè)計已經(jīng)從主要依靠經(jīng)驗逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度計算和分析階段。圖3所示為此案例有限元分析及優(yōu)化流程圖。

圖3 鉸鏈門限位器安裝面強(qiáng)度分析及優(yōu)化流程圖

2 仿真分析與試驗對比

2.1 有限元仿真

上文已經(jīng)提及當(dāng)車門開啟到最大開度時，限位器兩端連接部件受力最大，由此物理模型建立的有限元模型如圖4所示，車門位于最大開啟角度68°位置，在車門外開手柄處沿車門開啟方向施加載荷100 N，載荷大小是根據(jù)試驗臺架的最大運行速度以及車門的質(zhì)量計算得出。白車身截取范圍距離鉸鏈安裝點X向前后500 mm、Y向500 mm，并在截取位置約束6個方向自由度。

圖4 有限元模型

車身及車門的鈑金件采用以四邊形為主的混合殼單元模擬,四邊形單元類型采用S4R，三角形單元類型采用S3R。車門鉸鏈及限位器臂桿采用以八節(jié)點六面體單元為主的實體單元模擬,六面體單元類型采用C3D8I，四面體單元類型采用C3D4。鉸鏈及限位器轉(zhuǎn)動銷采用HINGE單元模擬，同時必須保證HINGE單元位于車門鉸鏈和限位器鉸鏈的設(shè)計軸線上。焊點與黏膠采用實體單元模型，模型中螺栓連接的位置采用剛性單元RIGID模擬，單元類型采用KINCOUP。此模型包含節(jié)點92 744個，單元88 911個。

表1是車門及車身與限位器連接各個零件的材料厚度及其屈服應(yīng)力值。

表1 零件材料屬性

為了保證分析的真實性還需要在模型中建立多處接觸，防止穿透。建立接觸的位置通常是在受力過程中兩個或者多個零件會發(fā)生接觸的位置。在該模型中建立了以下幾處接觸：

(1)車門側(cè)鉸鏈與車身側(cè)鉸鏈；

(2)限位器安裝支架與側(cè)圍外板、B柱加強(qiáng)板及B柱下加強(qiáng)板；

(3)限位器盒與車門加強(qiáng)板及內(nèi)板；

(4)緩沖墊與限位器盒。

以上接觸方式均采用Contact Pair類型。

計算采用ABAQUS非線性靜力學(xué)求解器。

2.2 應(yīng)力評價

采用Mises應(yīng)力作為評價標(biāo)準(zhǔn),表達(dá)式為:

(1)

對于塑性材料，當(dāng)應(yīng)力超過屈服極限時，變形較大且不能恢復(fù)，因此零件的最大應(yīng)力不允許超過屈服極限。通常按照公式(2)對塑性材料的許用應(yīng)力進(jìn)行規(guī)定：

[σ]=σs/n

(2)

式中：σ是材料許用應(yīng)力；σs是材料屈服極限；n是安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗此案例中選取安全系數(shù)為1.2。

2.3 鉸鏈門開閉耐久試驗

試驗中車門按照設(shè)計狀態(tài)裝配上所有零件，利用解鎖機(jī)構(gòu)操作外開手柄或者內(nèi)開手柄，并將車門推動至最大開度位置，再按照一定的關(guān)門速度推動鉸鏈門至關(guān)閉，如此為一次循環(huán)試驗。內(nèi)開開啟和外開開啟試驗各完成50 000次，該試驗用于考核鉸鏈門總成及其相關(guān)零件是否滿足耐久性要求。試驗要求:試驗完成后鎖系統(tǒng)、升降器系統(tǒng)、限位器、鉸鏈等各個功能零件使用正常，能夠正常操作，車門、車身鈑金件和焊點不得有開裂。

2.4 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

某車型鉸鏈門在開閉耐久試驗進(jìn)行至41 000次左右時，發(fā)現(xiàn)車門側(cè)限位器安裝面內(nèi)板開裂，如圖5所示。仿真計算得出限位器安裝區(qū)域各零件應(yīng)力大小及分布如圖6所示。

圖5 試驗車門內(nèi)板開裂

圖6 車門及車身限位器安裝區(qū)域各零件應(yīng)力云圖

仿真結(jié)果顯示：車身側(cè)各零件最大應(yīng)力均沒有超過屈服極限，滿足強(qiáng)度要求；車門內(nèi)板及限位器加強(qiáng)板的應(yīng)力已經(jīng)超過屈服極限，內(nèi)板應(yīng)力分布與試驗開裂位置相符，如圖5和圖6(a)所示，證明了有限元模型的精度較高,可以在此有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 開裂原因分析及結(jié)果優(yōu)化

3.1 開裂原因分析

傳統(tǒng)車門鉸鏈加強(qiáng)板采用一體式結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是加強(qiáng)板覆蓋區(qū)域較大，上下鉸鏈區(qū)域受力較均勻，內(nèi)板受力較?。蝗秉c是零件材料利用率低，質(zhì)量大，沖壓成型困難等。此案例車門采用分體式鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示。這種設(shè)計的優(yōu)點是受力區(qū)域分開設(shè)計，各部位可以采用不同厚度，相比原來結(jié)構(gòu)減重20%，零件材料利用率較高；缺點是上下結(jié)構(gòu)分開，中間分開區(qū)域剛度較弱，剛度不連續(xù)，容易形成應(yīng)力集中區(qū)域。此案例中，車門限位器加強(qiáng)板面積較小，無法將載荷有效地傳遞至內(nèi)板大面積區(qū)域，內(nèi)板僅有安裝凸臺區(qū)域受力，導(dǎo)致特征線上應(yīng)力集中而發(fā)生開裂。

圖7 整體式與分體式鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)區(qū)別

3.2 結(jié)果優(yōu)化

針對鈑金件開裂，優(yōu)化方法通常有增加鈑金件厚度、優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化焊點布置、更換材料等?？紤]到車門內(nèi)板的成形性及修改模具因素，排除更換材料的優(yōu)化方式。下面分別采用前面3種優(yōu)化方式解決開裂，并對各個方案進(jìn)行質(zhì)量、成本估算以確定最優(yōu)方案。

優(yōu)化方案一，內(nèi)板厚度由0.65 mm增加至0.8mm，限位器加強(qiáng)板厚度不變。

優(yōu)化方案二，內(nèi)板厚度不變，加強(qiáng)板厚度由1.4 mm增加至1.8 mm。

優(yōu)化方案三，內(nèi)板及限位器加強(qiáng)板厚度不變，對限位器加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)和焊點布置優(yōu)化，如圖8所示。

方案三是將原來兩塊加強(qiáng)板(限位器加強(qiáng)板和下鉸鏈加強(qiáng)板)合并成一個整體加強(qiáng)板。結(jié)構(gòu)更改的同時也將原來焊點重新布置，這種結(jié)構(gòu)可以有效避免兩塊加強(qiáng)板之間剛度不連續(xù)的現(xiàn)象，載荷可以通過加強(qiáng)板傳遞至內(nèi)板較大區(qū)域，不再出現(xiàn)安裝面局部受力的情況。該方案還可以減少車門零件數(shù)量，焊接時減少一個焊接工位，減少人力成本。

圖8 優(yōu)化方案三加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)及焊點更改

各優(yōu)化方案計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 各優(yōu)化方案內(nèi)板及加強(qiáng)板應(yīng)力云圖

表2 各優(yōu)化方案應(yīng)力結(jié)果及質(zhì)量增加對比表

表2說明：優(yōu)化方案一和方案二僅通過增加零件厚度的方式并不能夠有效地降低應(yīng)力大小，且應(yīng)力分布與原方案相同；方案三通過優(yōu)化加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，改善原有傳力路徑，有效降低了應(yīng)力大小，最重要的是應(yīng)力分布明顯改善，消除原有的應(yīng)力集中，使得內(nèi)板應(yīng)力分布更加廣泛而均布，增加了內(nèi)板安全系數(shù)。

方案三在幾乎沒有增加質(zhì)量的情況下，內(nèi)板及限位器加強(qiáng)板的應(yīng)力分別降低了29.7%和34.8%，零件應(yīng)力安全系數(shù)分別達(dá)到了1.35和1.38。由此可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化最有效果，且成本最低。

4 試驗驗證

將優(yōu)化方案三的結(jié)構(gòu)應(yīng)用在原車門上，重新進(jìn)行10萬次耐久試驗，試驗完成后檢查車門限位器安裝區(qū)域，鈑金及焊點無開裂。同時經(jīng)過26 000 km的壞路試驗之后，該區(qū)域也沒有出現(xiàn)開裂。以上兩個試驗證明了該優(yōu)化方案的可靠性。

圖10 鉸鏈門開閉耐久試驗

5 結(jié)論

(1)提出一種基于ABAQUS的車門限位器安裝面強(qiáng)度分析方法，利用該方法可以在試驗前分析車門及車身限位器安裝面的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足要求，并將某車型開閉耐久試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了模型的準(zhǔn)確性。

(2)在有限元模型基礎(chǔ)上，通過局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改變零件厚度優(yōu)化方法，并對比成本變化，得出只有結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠解決限位器安裝面開裂問題,解決了高性能、低成本與輕量化的矛盾。并通過開閉耐久試驗及壞路路試驗證了方案的可靠性。