胡冬青，周德生，劉向征，喻賽，范建軍

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

前言

車(chē)門(mén)是汽車(chē)的重要組成部分，在日常使用中反復(fù)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)，局部區(qū)域所受應(yīng)力雖未達(dá)到材料的屈服極限，但仍可能出現(xiàn)疲勞裂紋進(jìn)而斷裂，導(dǎo)致異響、生銹和漏水等問(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)[1]。通常，車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久性能主要通過(guò)車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)評(píng)估的。但在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期，無(wú)試驗(yàn)樣車(chē)；項(xiàng)目開(kāi)發(fā)后期，若臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，需修改結(jié)構(gòu)并重新試驗(yàn)，這直接影響項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期和產(chǎn)生大量的試驗(yàn)費(fèi)用。仿真分析能夠在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期介入，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)位置并提出優(yōu)化方案，大幅縮短試驗(yàn)周期、試錯(cuò)頻率和費(fèi)用。

本文以某車(chē)型后門(mén)為研究對(duì)象，通過(guò)非線(xiàn)性瞬態(tài)軟件Abaqus/Explicit和Ncode疲勞軟件聯(lián)合仿真，驗(yàn)證玻璃升降安裝區(qū)域鈑金開(kāi)裂問(wèn)題。并對(duì)開(kāi)裂區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供參考和分析方法。

1 非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)及疲勞損傷累積理論

1.1 非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論

車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)有阻尼多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[2]，包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和邊界非線(xiàn)性。

為了得到車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)與車(chē)身撞擊過(guò)程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，使用Abaqus/Explicit軟件進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[1]，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析求解的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)加速度向量，為節(jié)點(diǎn)速度向量，u為節(jié)點(diǎn)位移向量，P為節(jié)點(diǎn)外力向量，F(xiàn)為節(jié)點(diǎn)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(wú)關(guān)[4-6]。

假設(shè)試樣所吸收的能量達(dá)到極限值W時(shí)發(fā)生疲勞破壞，對(duì)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(gè)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(gè)應(yīng)力水平均產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的損傷，其總損傷為：

當(dāng)總損傷=1時(shí)，試樣吸收的能量達(dá)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?，從而壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)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(wèn)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(xiàn)可用Coffin- Manson-Basquin方程式來(lái)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(qiáng)度系數(shù)；2Nf為反向計(jì)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(qiáng)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段，利用CAE手段對(duì)樣車(chē)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)。利用沖擊強(qiáng)度的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和Ncode 疲勞軟件聯(lián)合仿真，建立了詳細(xì)的車(chē)門(mén)沖擊強(qiáng)度有限元分析模型，包括詳細(xì)的緩沖塊、密封條和鎖參數(shù)建模，并對(duì)玻璃全開(kāi)、半開(kāi)、全閉狀態(tài)的組合進(jìn)行了模擬以及詳細(xì)完整的車(chē)門(mén)附件建模。

車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久分析一般流程如圖1 所示。首先，利用Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行沖擊強(qiáng)度的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，獲得各單元時(shí)域下的沖擊應(yīng)力；然后在Ncode軟件中基于各單元時(shí)域下的沖擊應(yīng)力及結(jié)合沖擊時(shí)間歷程，預(yù)測(cè)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖1 車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久分析流程

3 車(chē)門(mén)仿真分析及優(yōu)化

3.1 有限元模型

為準(zhǔn)確模擬車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)中各零件之間的運(yùn)動(dòng)，需建立詳細(xì)的車(chē)門(mén)有限元模型；同時(shí)需考慮玻璃狀態(tài)對(duì)鈑金壽命的影響，試驗(yàn)時(shí)玻璃狀態(tài)為玻璃全開(kāi)、半開(kāi)、全閉狀態(tài)。

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

白車(chē)身采用柔性車(chē)身，車(chē)門(mén)通過(guò)鉸鏈安裝在車(chē)身上，并繞著鉸鏈軸以1.5m/s旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，車(chē)門(mén)與密封條、緩沖塊接觸，鎖扣卡入門(mén)鎖棘輪，門(mén)鎖棘輪與止動(dòng)爪反復(fù)嚙合，此時(shí)車(chē)門(mén)各部件反復(fù)回彈直至靜止[8]。

圖2 分析模型

密封條、門(mén)鎖和緩沖塊作為車(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)所提供的力學(xué)特性曲線(xiàn)是否準(zhǔn)確，是車(chē)門(mén)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(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中起到至關(guān)重要的緩沖作用，其剛度直接影響車(chē)門(mén)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為泡管形變能以及關(guān)門(mén)順暢和聲品質(zhì)等，尤其對(duì)窗框振動(dòng)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(lèi)型為AXIAL，其剛度由實(shí)測(cè)確定，二道密封膠條壓縮示意圖和壓縮負(fù)荷曲線(xiàn)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(lèi)型為CARTESIAN和CARDAN組合，并賦予X、Y、Z方向剛度，其剛度由實(shí)測(cè)確定。

圖4 二道密封條壓縮負(fù)荷曲線(xiàn)示意圖

針對(duì)關(guān)門(mén)速度較大時(shí)，需要測(cè)量全行程下的密封條壓縮負(fù)荷曲線(xiàn)。

3.1.2 鎖機(jī)構(gòu)模擬

車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，鎖舌沖擊鎖扣，帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終鎖扣沖擊過(guò)行程緩沖塊。當(dāng)過(guò)行程緩沖塊壓縮一定程度后，車(chē)門(mén)回彈，門(mén)鎖棘輪與止動(dòng)爪反復(fù)嚙合，車(chē)門(mén)各部件反復(fù)回彈震蕩并最終鎖止。過(guò)行程緩沖塊、棘輪和止動(dòng)爪彈簧/扭簧的剛度在關(guān)門(mén)過(guò)程中，對(duì)車(chē)門(mén)動(dòng)能的吸收、震蕩和過(guò)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(mén)鎖的鎖止，反映車(chē)門(mén)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能以及門(mén)鎖上鎖時(shí)車(chē)門(mén)的震蕩過(guò)程，需將門(mén)鎖系統(tǒng)詳細(xì)建模，由其自行判斷鎖止點(diǎn)和時(shí)間。門(mén)鎖殼體用殼體單元模擬；鎖扣、棘輪和止動(dòng)爪采用實(shí)體剛體單元模擬；扭簧采用CONN3D2單元模擬，連接類(lèi)型為HINGE，扭簧剛度參數(shù)由實(shí)測(cè)確定，如表1所示；橡膠緩沖塊采用CONN3D2單元模擬，連接類(lèi)型為T(mén)RANSLATOR，其參數(shù)示意圖如圖所示，門(mén)鎖機(jī)構(gòu)有限元模型如圖6所示。

表1 扭簧主要參數(shù)

圖6 門(mén)鎖有限元模型

3.1.3 緩沖塊模擬

緩沖塊在車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中能起到緩沖減震的作用，分析時(shí)需考慮緩沖塊的影響。車(chē)門(mén)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(lèi)型為AXIAL，其剛度由實(shí)測(cè)確定，某緩沖塊剛度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 緩沖塊剛度曲線(xiàn)示意圖

3.2 車(chē)門(mén)沖擊強(qiáng)度分析

為提升計(jì)算效率，截取一部分車(chē)身，約束車(chē)身截取面1～6方向自由度，車(chē)門(mén)開(kāi)啟3°后，車(chē)門(mén)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(yùn)用Abaqus/Explicit求解器進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，獲得時(shí)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(píng)估分析結(jié)果的合理性。一般情況，建議偽應(yīng)變能不超過(guò)內(nèi)能的10%，動(dòng)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(dòng)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(chē)門(mén)在0.048s時(shí)，鎖扣與門(mén)鎖過(guò)行程緩沖塊接觸，并壓縮至最低位置，此時(shí)門(mén)內(nèi)板應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 t=0.048s時(shí)內(nèi)板應(yīng)力分布

車(chē)門(mén)在0.066s時(shí)，門(mén)鎖棘輪與止動(dòng)爪第一次嚙合接觸；車(chē)門(mén)在0.084s時(shí)，受慣性力影響，門(mén)內(nèi)板Y向運(yùn)動(dòng)至極限位置，門(mén)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(chē)門(mén)內(nèi)板材料為DC54D，屈服極限為179Mpa。從不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖可以看出，高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在升降電機(jī)安裝點(diǎn)、門(mén)鎖安裝點(diǎn)區(qū)域，尤其是玻璃升降器下安裝點(diǎn)附近區(qū)域。

玻璃升降器下安裝點(diǎn)附近區(qū)域在42.55HZ時(shí)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(diǎn)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(chē)門(mén)開(kāi)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(xiàn)）準(zhǔn)則，將車(chē)門(mén)沖擊強(qiáng)度時(shí)域下的應(yīng)力歷程文件導(dǎo)入Ncode軟件中，計(jì)算得出車(chē)門(mén)開(kāi)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(wàn)次，分布在玻璃升降器下安裝點(diǎn)附近圓角過(guò)渡區(qū)域，不滿(mǎn)目標(biāo)5萬(wàn)次要求。

3.4 優(yōu)化方案確定

經(jīng)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)后門(mén)玻璃升降器安裝點(diǎn)附近區(qū)域在3.85萬(wàn)次時(shí)，出現(xiàn)鈑金開(kāi)裂，右后門(mén)較左后門(mén)開(kāi)裂明顯，如圖13（a）（b）所示。

圖13 后門(mén)開(kāi)裂位置

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

通過(guò)車(chē)門(mén)沖擊強(qiáng)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(mén)過(guò)程中，出現(xiàn)多次回彈折彎現(xiàn)象。同時(shí)，開(kāi)裂位置為三個(gè)面交匯處，過(guò)渡不夠順暢?；谝陨戏治觯瑑?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(qiáng)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(tái)階面下沉6mm，并球化圓角過(guò)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(qiáng)度結(jié)果并代入Ncode軟件中，計(jì)算得出車(chē)門(mén)開(kāi)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(wàn)次，分布在三角窗導(dǎo)軌下安裝點(diǎn)處，其中原開(kāi)裂位置處的鈑金最低壽命為65.2萬(wàn)次。

由圖15（b）可知，方案2的內(nèi)板最低壽命為9.73萬(wàn)次，分布在玻璃升降器安裝點(diǎn)處，其中原開(kāi)裂位置處的鈑金最低壽命為1104.6萬(wàn)次。

對(duì)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(kāi)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(chē)。

圖15 優(yōu)化方案內(nèi)板壽命分布

4 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(chē)，進(jìn)行開(kāi)閉耐久試驗(yàn)評(píng)價(jià)。車(chē)門(mén)經(jīng)過(guò)5 萬(wàn)次開(kāi)閉試驗(yàn)后，車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)正常，各部件運(yùn)作良好，車(chē)門(mén)鈑金未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，與仿真結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證了仿真方法的合理性和有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某車(chē)型的車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久疲勞仿真開(kāi)發(fā)為例，對(duì)密封條、鎖和緩沖塊等吸能部件進(jìn)行了詳細(xì)建模，建立車(chē)門(mén)沖擊強(qiáng)度分析模型并進(jìn)行開(kāi)閉耐久分析，找出了車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞壽命分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性和分析方法的合理性，為車(chē)門(mén)的疲勞耐久設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

本文在提出優(yōu)化方案時(shí)，結(jié)合了沖擊強(qiáng)度動(dòng)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(mǎn)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(mén)和行李箱蓋的開(kāi)閉耐久分析。