喬淑平 徐成民

摘 要：針對(duì)在車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)過(guò)程中，某樣車(chē)車(chē)門(mén)出現(xiàn)的焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂問(wèn)題，在考慮鉸鏈連接、密封條連接及焊點(diǎn)細(xì)化建模的前提下，建立車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久仿真有限元模型;根據(jù)Miner線性疲勞累計(jì)損傷理論，對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉模型進(jìn)行疲勞仿真分析，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化方案，進(jìn)行仿真疲勞壽命預(yù)測(cè)，最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。提出了一種針對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中焊點(diǎn)開(kāi)裂的疲勞分析優(yōu)化方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并快速解決問(wèn)題，可以縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén);焊點(diǎn);疲勞開(kāi)裂;耐久仿真

中圖分類號(hào)：U463.83+4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-143-05

Abstract： As for the fatigue crack problem of the welding spot in the prototype vehicle door during the opening-closing durability test， a nonlinear transient finite element model is analyzed based on hinge model， seal model and refining welding spot model. The Miner's linear fatigue damage accumulation rule was used to predict the fatigue life of door through opening and closing model， then risk areas were identified. Considering the fatigue simulation result， an optimization structure is presented and then fatigue life predicted. The durability opening-closing door test proves the validity of the fatigue analysis and optimization. A fatigue life analysis method for welding spot crack in door opening-closing durability test is presented， problems are found exactly and solved quickly during development period， which greatly shorten the cycle and save the cost of development. The proposed method has a significant reference.

Keywords： Car door; Welding spot; Fatigue crack; Durability simulation

前言

車(chē)門(mén)是汽車(chē)的重要組成部分，具有保持人員進(jìn)出、形成密閉空間、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(kāi)閉件而言[1]，在實(shí)際使用過(guò)程中，車(chē)門(mén)作為駕駛員和乘員出入車(chē)輛的通道[2]，由于反復(fù)開(kāi)關(guān)，會(huì)發(fā)生疲勞破壞等問(wèn)題，因此，在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，汽車(chē)開(kāi)閉耐久性能已然成為評(píng)價(jià)汽車(chē)品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)[3]。通常，車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久性能是通過(guò)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久試驗(yàn)來(lái)評(píng)估的，但耐久試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用高，因此，仿真分析成為汽車(chē)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的部分。

錢(qián)銀超等[4]針對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中，玻璃升降器安裝區(qū)域鈑金開(kāi)裂問(wèn)題，采用Abaqus/Explicit求解器計(jì)算關(guān)門(mén)的沖擊應(yīng)力時(shí)間歷程，運(yùn)用疲勞仿真的方法預(yù)測(cè)鈑金的危險(xiǎn)區(qū)域及壽命，同時(shí)提出了優(yōu)化方案并經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。蔣凌山等[2]針對(duì)車(chē)門(mén)三角窗切口處鈑金開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)建立關(guān)門(mén)有限元模型，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并通過(guò)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。邢志偉等[5]通過(guò)非線性顯示求解，進(jìn)行某微型客車(chē)門(mén)關(guān)閉的碰撞分析模擬，對(duì)瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果使用局部應(yīng)力應(yīng)變法分析疲勞損傷分布，并對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板等危險(xiǎn)位置，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化提高車(chē)門(mén)的使用壽命。

國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠家都將車(chē)門(mén)的開(kāi)閉耐久性能試驗(yàn)作為汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)[6]。大多數(shù)選擇10萬(wàn)次作為試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)次數(shù)，即開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)各10萬(wàn)次[7]。之前的仿真研究主要集中在車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中的關(guān)門(mén)分析上，而忽略車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)對(duì)車(chē)門(mén)的損傷，同時(shí)，研究的問(wèn)題大多只是針對(duì)鈑金開(kāi)裂，也具有一定的局限性。本研究針對(duì)開(kāi)發(fā)階段，樣車(chē)車(chē)門(mén)開(kāi)閉件耐久試驗(yàn)中，出現(xiàn)的焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題，提出了一套解決車(chē)門(mén)焊點(diǎn)開(kāi)裂的疲勞仿真流程，如圖1所示，即通過(guò)非線性瞬態(tài)和疲勞軟件聯(lián)合仿真，在同時(shí)考慮車(chē)門(mén)關(guān)閉及車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)工況的影響下，建立詳細(xì)車(chē)門(mén)疲勞仿真分析模型，包括詳細(xì)車(chē)門(mén)鉸鏈建模，密封條及鎖參數(shù)建模，完整的車(chē)門(mén)附件及內(nèi)飾建模，以及焊點(diǎn)細(xì)化建模等。該流程能夠較為準(zhǔn)確的進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)，解決車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題。

1 車(chē)門(mén)焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂分析

隨著汽車(chē)輕量化技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)車(chē)門(mén)鈑金減重也提出了更高的要求。結(jié)合實(shí)際的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，隨著鈑金件的輕量化，在耐久試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)發(fā)生鈑金焊點(diǎn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。某車(chē)型樣車(chē)開(kāi)發(fā)階段，在車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中，車(chē)門(mén)內(nèi)板出現(xiàn)焊點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)觀察實(shí)際開(kāi)裂圖片可知，焊點(diǎn)開(kāi)裂的位置分別位于，鉸鏈上部三角窗附近（位置1），以及防撞板下端靠近B柱附近（位置2），如圖2所示：

2 疲勞耐久仿真分析優(yōu)化

2.1 非線性瞬態(tài)有限元

根據(jù)車(chē)門(mén)開(kāi)閉件耐久試驗(yàn)，建立詳細(xì)車(chē)門(mén)瞬態(tài)分析有限元模型，包括關(guān)門(mén)模型和門(mén)過(guò)開(kāi)模型，模型的邊界條件分別如圖3所示。有限元模型的精度是影響疲勞壽命分析的重要因素，因此需要準(zhǔn)確定義模型的邊界條件及關(guān)鍵部件的建模參數(shù)。關(guān)門(mén)模型中，車(chē)門(mén)處于關(guān)閉位置，約束車(chē)身側(cè)鉸鏈，給車(chē)門(mén)施加一個(gè)繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的關(guān)門(mén)速度，大小為1.5m/s，關(guān)門(mén)速度的測(cè)量點(diǎn)位于鎖扣對(duì)應(yīng)車(chē)門(mén)外板，且沿垂直于鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸方向外延50mm處。車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)模型中，車(chē)門(mén)處于最大開(kāi)啟位置，給車(chē)門(mén)施加一個(gè)繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)的開(kāi)門(mén)速度，大小為0.5m/s。

車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程包括車(chē)門(mén)繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)、密封條接觸、門(mén)鎖系統(tǒng)鎖止、車(chē)門(mén)反復(fù)回彈等一系列過(guò)程[8]。在車(chē)門(mén)系統(tǒng)中，系統(tǒng)質(zhì)量矩陣對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)起決定性作用，必須保證車(chē)門(mén)鈑金、玻璃、內(nèi)飾及附件等質(zhì)量矩陣準(zhǔn)確，其中附件質(zhì)量分布如圖4所示。

鉸鏈在車(chē)門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中起到承載及旋轉(zhuǎn)車(chē)門(mén)的功能，是一個(gè)重要的載荷作用件，其建模的準(zhǔn)確性關(guān)系到車(chē)門(mén)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，局部模型如圖5所示，詳細(xì)定義各個(gè)板件間的接觸，并通過(guò)Beam單元來(lái)模擬鉸鏈螺栓來(lái)連接。

門(mén)鎖作為車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)的主要緩沖模塊，在車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)所提供的力特性曲線是否準(zhǔn)確，是車(chē)門(mén)耐久仿真分析的重要影響因素。鎖模塊局部建模如圖6所示，鎖鉤與鎖扣之間的接觸通過(guò)Connector單元模擬，鎖參數(shù)力特性曲線如圖7所示。

密封條作為車(chē)門(mén)總成上的關(guān)鍵零件，包括車(chē)門(mén)內(nèi)圈密封條，車(chē)門(mén)外圈密封條，以及玻璃密封條等。在車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)時(shí)，具有一定的緩沖作用。車(chē)門(mén)密封條主要由軟硬橡膠材料構(gòu)成，具有高度的非線性特性[8]。密封條的建模通過(guò)Connector單元模擬，其中某段外圈密封條的材料特性曲線如圖8所示。

針對(duì)焊點(diǎn)疲勞開(kāi)裂問(wèn)題，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)所關(guān)注的危險(xiǎn)區(qū)域，建立焊點(diǎn)細(xì)化模型。關(guān)注區(qū)域零件單元的網(wǎng)格尺寸為2mm，針對(duì)焊點(diǎn)建立FEMFAT SPOT類型焊點(diǎn)[9]，焊點(diǎn)形式如圖9所示，焊點(diǎn)的板殼單元間以Bar單元連接，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞仿真分析。

車(chē)門(mén)開(kāi)閉有限元模型包括完整的前門(mén)總成及部分白車(chē)身，分別建立關(guān)門(mén)模型及過(guò)開(kāi)模型，如圖10所示，進(jìn)行Abaqus非線性瞬態(tài)分析其中，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為206893，單元數(shù)為159280。車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)模型與車(chē)門(mén)關(guān)閉模型類似，將車(chē)門(mén)繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)到最大開(kāi)啟位置，由于鉸鏈和限位器的作用，車(chē)門(mén)會(huì)在最大開(kāi)啟位置反復(fù)回彈， 因此過(guò)開(kāi)模型中不需要考慮門(mén)密封條接觸及門(mén)鎖系統(tǒng)鎖止的模擬。

2.2 疲勞損傷理論

2.2.1 Miner線性累積損傷理論

為了準(zhǔn)確的估算車(chē)門(mén)在開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中的疲勞損傷，采用Miner線性累積損傷理論[10-11]。該理論認(rèn)為材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的反復(fù)作用并且不斷累積造成的;損傷與循環(huán)次數(shù)成正比，疲勞損傷累積達(dá)到破壞時(shí)吸收的能量與載荷作用的先后順序無(wú)關(guān)，僅由損傷的線性累加決定[2， 9]。

假設(shè)材料在失效前吸收的能量限值為E，失效前的總循環(huán)數(shù)是N，而在某一循環(huán)數(shù)時(shí)吸收的能量為E1，材料吸收的能量與其循環(huán)數(shù)n1存在正比關(guān)系：

則在第i個(gè)應(yīng)力水平級(jí)別下分別對(duì)應(yīng)Ni次應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料疲勞累積損傷為：

2.2.2 Haigh圖

不同的載荷類型，對(duì)疲勞強(qiáng)度是有影響的。如脈沖載荷，循環(huán)對(duì)稱載荷等得到的SN曲線是不同的。主要的差別體現(xiàn)在平均應(yīng)力上，即不同的平均應(yīng)力對(duì)應(yīng)于不同的S-N曲線。為了考慮平均應(yīng)力對(duì)SN曲線的影響，最典型的做法是通過(guò)Haigh圖進(jìn)行平均應(yīng)力的修正，如下圖：

其中，橫坐標(biāo)為平均應(yīng)力，縱坐標(biāo)為應(yīng)力幅值。1點(diǎn)為抗拉強(qiáng)度，4點(diǎn)為脈沖載荷下（R= 0）的S-N曲線對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力極限，5點(diǎn)為循環(huán)對(duì)稱載荷下（R= -1）的疲勞應(yīng)力極限，2點(diǎn)和3點(diǎn)是5點(diǎn)與4點(diǎn)連線與屈服強(qiáng)度延長(zhǎng)線的交點(diǎn)，6點(diǎn)7點(diǎn)為5點(diǎn)與4點(diǎn)連線與屈服強(qiáng)度延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。

2.2.3 Neuber法則

在確定塑性變形過(guò)程中的局部缺口應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，Neuber法則應(yīng)用最為廣泛。為了計(jì)算效率和建?？紤]，會(huì)將模型進(jìn)行彈性簡(jiǎn)化分析，此時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力極值，該極值導(dǎo)致在S-N曲線上極大的損傷值，而實(shí)際情況由于材料的塑性行為，這種應(yīng)力極值并不會(huì)出現(xiàn)。為了避免這種情況引起的計(jì)算誤差，應(yīng)用Neuber法則將彈性應(yīng)力等效到塑性曲線上，如圖12所示。Nerber法則可以通過(guò)下面局部塑性屈服方程表示：

2.3 疲勞分析與優(yōu)化

在有限元非線性瞬態(tài)分析的結(jié)果上，針對(duì)上述關(guān)門(mén)、過(guò)開(kāi)兩個(gè)模型，應(yīng)用Haigh平均應(yīng)力修正圖及Neuber等效塑性假設(shè)，結(jié)合Miner線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命分析。其中，在關(guān)門(mén)模型中，某時(shí)刻應(yīng)力結(jié)果如圖13所示，在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力最大的焊點(diǎn)位置與試驗(yàn)中開(kāi)裂一致，而且試驗(yàn)中未開(kāi)裂的焊點(diǎn)其應(yīng)力值也遠(yuǎn)低于開(kāi)裂的焊點(diǎn)，沒(méi)有開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn);應(yīng)力最大的焊點(diǎn)瞬態(tài)應(yīng)力見(jiàn)圖14。

模型評(píng)估的是開(kāi)關(guān)門(mén)最終時(shí)刻的整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，圖15是關(guān)門(mén)模型能量變化圖。在最終時(shí)刻車(chē)門(mén)閉合，門(mén)鎖完成鎖止，擠壓密封條，系統(tǒng)處于整體振動(dòng)并趨于平穩(wěn)?？偰芰吭诶碚撋蠟槌?shù)，但實(shí)際模型中有較小的波動(dòng)，一般在5%左右可以接受。從圖15中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)總能量基本恒定，動(dòng)能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化，耗散能單調(diào)增加。從能量變化圖中，考慮到模型的穩(wěn)定性及疲勞計(jì)算的效率，取t=0.03時(shí)刻內(nèi)的瞬態(tài)變化進(jìn)行疲勞求解。

根據(jù)式（2）計(jì)算車(chē)門(mén)開(kāi)閉模型中，焊點(diǎn)的疲勞損傷總和，換算成疲勞壽命，如圖16所示。在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域中，焊點(diǎn)1和焊點(diǎn)2的疲勞壽命最低，分別為7.8萬(wàn)次和4.3萬(wàn)次，不滿足車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中10萬(wàn)次的要求，仿真中有風(fēng)險(xiǎn)的焊點(diǎn)位置與與實(shí)際疲勞開(kāi)裂的位置（圖2）一致。

在此基礎(chǔ)上對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于焊點(diǎn)1進(jìn)行局部型面優(yōu)化，加強(qiáng)局部剛度，同時(shí)再增加一個(gè)焊點(diǎn)，如圖17所示;對(duì)于焊點(diǎn)2，增大局部截面，增大焊點(diǎn)之間的間距，增加連接范圍，另外，此處還增加一個(gè)加強(qiáng)件，進(jìn)一步增加了局部剛度，如圖18所示。

針對(duì)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，更新有限元模型，得到優(yōu)化方案的應(yīng)力分析結(jié)果;在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)關(guān)門(mén)模型及過(guò)開(kāi)模型進(jìn)行疲勞仿真分析，并應(yīng)用式（2）統(tǒng)計(jì)總的疲勞結(jié)果，如圖19所示。由圖可知，焊點(diǎn)1和2的疲勞壽命分別為61.7萬(wàn)次和85.6萬(wàn)次，得到明顯改善，達(dá)到10萬(wàn)次的要求。

3 車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述優(yōu)化方案做進(jìn)下一輪樣車(chē)當(dāng)中，進(jìn)行車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐

久性試驗(yàn)評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次車(chē)門(mén)開(kāi)閉后，車(chē)門(mén)焊點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，與仿真結(jié)果吻合。進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究提出的疲勞仿真分析流程的有效性。

4 結(jié)論

以某車(chē)型的車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久疲勞仿真開(kāi)發(fā)為例，建立車(chē)門(mén)總成及車(chē)身的瞬態(tài)有限元模型，包括關(guān)門(mén)模型及過(guò)開(kāi)模型，通過(guò)對(duì)鉸鏈連接、密封條連接及焊點(diǎn)連接進(jìn)行詳細(xì)建模，進(jìn)行車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久仿真分析，找到車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及疲勞壽命預(yù)測(cè)，最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。

結(jié)果表明，由此提出的針對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)的疲勞優(yōu)化方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行耐久仿真分析和優(yōu)化，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并快速地解決問(wèn)題，能夠有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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