汽車行李箱蓋關(guān)閉沖擊及耐久性分析

楊瀠奎　董波　劉帥　尹航

摘要：基于LSDYNA提出一種對(duì)汽車行李箱蓋進(jìn)行關(guān)閉沖擊仿真的建模方法.建立密封條和鎖總成的詳細(xì)模型，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)行李箱蓋進(jìn)行耐久性預(yù)測(cè).仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性.該方法可有效仿真汽車行李箱蓋的關(guān)閉沖擊及耐久性能，提升設(shè)計(jì)效率.

關(guān)鍵詞：汽車； 行李箱蓋； 關(guān)閉沖擊； 耐久性； 仿真； LSDYNA

中圖分類號(hào)： U463.84； TB115.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：A modeling method for closing impact simulation of automotive trunk lid is proposed on the basis of LSDYNA. The model of weather strip and lock assembly is built in detail and the durability is predicted according to the simulation results. The comparison of simulation results and test results verifies that the model is accurate. The closing impact and durability of automotive trunk lid can be effectively simulated by the method and the design efficiency can be improved.

Key words：automobile； trunk lid； closing impact； durability； simulation； LSDYNA

0 引 言

行李箱蓋是汽車最重要的外覆蓋件之一.一方面，行李箱蓋的造型風(fēng)格是車身尾部最富變化和最受人關(guān)注的對(duì)象之一；另一方面，行李箱蓋是取放行李、工具及其他備用物品的必要通道，使用頻率較高，需要保證多次開(kāi)閉后鎖系統(tǒng)正常鎖止，部件之間無(wú)干涉，鈑金件無(wú)開(kāi)裂.[1]

長(zhǎng)期以來(lái)，行李箱蓋的耐久性主要依靠開(kāi)閉耐久試驗(yàn)評(píng)估，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，而且無(wú)法提前發(fā)現(xiàn)行李箱蓋的設(shè)計(jì)缺陷，容易造成“滯后設(shè)計(jì)”.隨著CAE仿真技術(shù)在汽車研發(fā)中的廣泛應(yīng)用，采用有限元法模擬開(kāi)閉件的耐久性，能夠在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并改善問(wèn)題，從而縮短研發(fā)周期，降低成本.

通常，關(guān)閉過(guò)程是決定行李箱蓋開(kāi)閉耐久性的主要過(guò)程[2]，因此行李箱蓋的開(kāi)閉性能仿真主要涉及關(guān)閉過(guò)程.目前主要采用2類方法：基于線性的慣性釋放方法和基于非線性的顯式動(dòng)力學(xué)方法.慣性釋放法將關(guān)閉的動(dòng)態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)化為靜態(tài)過(guò)程[3]，簡(jiǎn)單、快速，但無(wú)法考察行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程的材料、幾何、接觸等非線性因素的影響[4]；采用顯式動(dòng)力學(xué)分析方法建立仿真模型的過(guò)程較為復(fù)雜，需要提供較多的非線性參數(shù)，但能夠反映行李箱蓋關(guān)閉的實(shí)際過(guò)程，考察各種非線性因素的影響[5].

為準(zhǔn)確模擬行李箱蓋的關(guān)閉過(guò)程，采用顯式動(dòng)力學(xué)方法，基于LSDYNA建立行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程的仿真模型，特別是建立密封條和鎖總成的詳細(xì)模型并選擇測(cè)點(diǎn)位置，將仿真應(yīng)變與試驗(yàn)應(yīng)變對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的可靠性.最后采用疲勞分析軟件，對(duì)行李箱蓋進(jìn)行壽命預(yù)測(cè).

1 有限元模型建立

1.1 行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程

行李箱蓋的關(guān)閉過(guò)程可分為2個(gè)階段：

第一階段，從最大開(kāi)啟角度開(kāi)始，行李箱蓋圍繞鉸鏈軸下落階段.該階段，行李箱蓋處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，行李箱蓋內(nèi)板不與密封條接觸，緩沖塊不與車身鈑金接觸，鎖總成的卡板和止動(dòng)爪不與鎖扣發(fā)生接觸，行李箱蓋不受載荷沖擊，仿真分析時(shí)可以忽略該階段.

第二階段，從某一接近關(guān)閉的角度開(kāi)始，行李箱蓋內(nèi)板后部首先與密封條產(chǎn)生接觸，密封條開(kāi)始受壓變形，接著緩沖塊逐漸與車身鈑金件表面接觸；然后鎖的卡板與鎖扣發(fā)生撞擊并帶動(dòng)拉伸彈簧旋轉(zhuǎn)，彈簧的拉力使止動(dòng)爪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)將鎖鎖死；最后由于鎖總成內(nèi)部的間隙導(dǎo)致行李箱蓋在鎖死位置產(chǎn)生若干振蕩，在系統(tǒng)阻尼等能量耗散作用下，逐漸歸于靜止.該階段，行李箱蓋承受較大的沖擊載荷，也是仿真分析主要研究的階段.

1.2 仿真模型組成

根據(jù)行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程可知密封條、鎖總成是影響行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程的重要因素，建模過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)建模.為在不影響模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上減少模型規(guī)模，縮短計(jì)算時(shí)間，仿真模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化.

1）只研究對(duì)行李箱蓋開(kāi)閉過(guò)程影響較大的后部車身.

2）忽略安裝在后部車身的內(nèi)飾件、電器元件等.

3）忽略行李箱蓋關(guān)閉過(guò)程中空氣阻力的影響.

4）扭桿采用扭轉(zhuǎn)彈簧代替.

模型采用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分和裝配，鈑金件的基本單元尺寸為5 mm，密封條、緩沖塊和鎖結(jié)構(gòu)的基本單元尺寸為1～2 mm，模型信息見(jiàn)表1.建立的行李箱蓋關(guān)閉仿真模型見(jiàn)圖1.

1.2.1 密封條模型

密封條[67]在行李箱蓋的關(guān)閉過(guò)程中變形程度較大，吸收行李箱蓋關(guān)閉時(shí)的大量動(dòng)能，有效降低行李箱蓋的沖擊應(yīng)力，建模過(guò)程中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮.行李箱蓋密封條的截面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

按主要功能劃分，行李箱蓋由4部分組成.

1）O型密封圈：材料為EPDM海綿橡膠，位于密封條最外側(cè)，直接與行李箱蓋內(nèi)板接觸，行李箱蓋關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生較大壓縮量，是密封條的主要吸能部分.

2）密實(shí)橡膠：材料為EPDM，包裹在U型鋼帶支架外側(cè)，硬度較海綿橡膠高，增強(qiáng)密封條裝配到車身上的穩(wěn)定性，保證密封性.

3）U型鋼帶骨架：密封條裝配到車身上時(shí)，起牢固夾持密封條作用.

4）裝配密封圈：材料為EPDM海綿橡膠，位于U型鋼帶骨架內(nèi)側(cè).密封條裝配到車身上時(shí)與車身的鈑金發(fā)生擠壓，再與U型鋼帶骨架一起產(chǎn)生裝配預(yù)緊力，將密封條牢固壓緊到車身上.

密封條的截面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常需對(duì)模型進(jìn)行有效簡(jiǎn)化.目前主要有2類方法.一類是將密封條簡(jiǎn)化成圍繞車身的一圈彈簧單元，彈簧單元的剛度由密封條的剛度試驗(yàn)獲得.這類方法建模方法簡(jiǎn)單，但由于密封條不同位置的受力方式和壓縮變形量并不一致，若要提高計(jì)算精度，則需要根據(jù)密封條不同位置的變形狀態(tài)對(duì)密封條進(jìn)行分段，根據(jù)不同的分段對(duì)密封條實(shí)施壓縮剛度試驗(yàn)，以獲取彈簧的剛度參數(shù).另一類方法是根據(jù)密封條的組成選擇相應(yīng)的材料本構(gòu)模型，建立接近密封條實(shí)際幾何特征的有限元模型.這類方法建模精度較高，但確定密封條的材料參數(shù)需要大量試驗(yàn).

為保證仿真精度，本文采用第二類方法建立密封條模型，見(jiàn)圖3.由于主要考察密封條的受壓吸能特性，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化.

1）忽略密封條裝配預(yù)緊力，忽略裝配密封圈部分（EPDM海綿橡膠）.

2）為保證密封條與行李箱蓋內(nèi)板接觸部分的位置不變性，保留密實(shí)橡膠和U型鋼帶骨架，并且假定U型鋼帶骨架在仿真過(guò)程中保持裝配安裝狀態(tài)，不發(fā)生變形.

該模型的材料常數(shù)擬合較復(fù)雜，為提高建模效率，LSDYNA允許通過(guò)直接導(dǎo)入海綿橡膠壓力與位移曲線（見(jiàn)圖4）的方式擬合材料的參數(shù).

1.2.2 鎖總成模型

鎖總成模型對(duì)于模擬行李箱蓋的關(guān)閉狀態(tài)起關(guān)鍵作用.鎖總成的鎖止時(shí)間和狀態(tài)對(duì)行李箱蓋的應(yīng)力分布有重要影響.通常為簡(jiǎn)化計(jì)算將鎖總成簡(jiǎn)化成非線性彈簧單元或者帶鎖止特性的連接單元，這種方法建模簡(jiǎn)單，但需要通過(guò)大量試驗(yàn)確定鎖總成的鎖止剛度和鎖止時(shí)間.為準(zhǔn)確反映鎖總成的卡合特性，建立鎖總成的精細(xì)化仿真模型，見(jiàn)圖5.卡板、止動(dòng)爪和鎖扣均采用SOLID單元，鎖扣設(shè)置為剛體，連接卡板和止動(dòng)爪之間的彈簧采用SPRING單元，彈簧的拉伸剛度值由試驗(yàn)測(cè)得.該鎖總成模型不僅能夠準(zhǔn)確模擬鎖結(jié)構(gòu)的鎖止?fàn)顟B(tài)，還能反映鎖扣被卡板和止動(dòng)爪鎖止后，鎖扣在卡板和鎖座的間隙之間振蕩然后逐漸衰減的過(guò)程，從而更加真實(shí)地反映行李箱蓋關(guān)閉時(shí)的應(yīng)力變化.

2 仿真模型驗(yàn)證

2.1 仿真工況

仿真工況參考行李箱蓋開(kāi)閉耐久試驗(yàn)，約束后部車身，行李箱蓋開(kāi)啟角度為5°，初始關(guān)閉速度為1.6 m/s，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，考慮行李箱蓋關(guān)閉時(shí)重力的影響，施加重力加速度.

2.2 結(jié)果分析

仿真計(jì)算完成后，檢查能量是否平衡、鎖總成的鎖止?fàn)顟B(tài)是否正常，從而初步判斷結(jié)果的合理性.理論上總能量與初始總能量和外力功之和的比值等于1，偏差不應(yīng)超過(guò)5%，整個(gè)計(jì)算中沙漏能應(yīng)不超過(guò)總能量的5%.經(jīng)計(jì)算，本文模型能量比率（能量比率=總能量/（初始總能量+外力功））為1.03，偏差為3%；沙漏能占總能量的比例為5.1%，略高于工程經(jīng)驗(yàn)要求.模型能量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6.

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，在行李箱蓋外板與鎖加強(qiáng)板連接的焊點(diǎn)位置附近、鎖座的安裝孔附近選擇合適的測(cè)點(diǎn)位置，粘貼應(yīng)變片

（見(jiàn)圖7），然后對(duì)行李箱蓋實(shí)施開(kāi)閉耐久試驗(yàn).為與仿真狀態(tài)一致，調(diào)整行李箱蓋關(guān)閉到5°左右時(shí)的速度為1.6 m/s，實(shí)時(shí)采集測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變.

行李箱蓋外板與鎖加強(qiáng)板連接的焊點(diǎn)位置附近的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖8a，鎖座的安裝孔附近的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比見(jiàn)圖8b和8c.測(cè)點(diǎn)的仿真應(yīng)變與試驗(yàn)應(yīng)變幅值一致，且隨時(shí)間變化的歷程相似，驗(yàn)證仿真模型的可靠性.

在疲勞分析軟件中導(dǎo)入行李箱蓋一個(gè)關(guān)閉周期的仿真結(jié)果作為疲勞計(jì)算的載荷時(shí)間歷程，然后將材料的EN曲線賦值給相應(yīng)的零件，計(jì)算關(guān)注零件是否滿疲勞壽命的要求.疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10.

各零件的疲勞壽命結(jié)果都在10萬(wàn)次以上，滿足零件的壽命設(shè)計(jì)要求.對(duì)行李箱蓋實(shí)施10萬(wàn)次開(kāi)閉耐久試驗(yàn)后，結(jié)果顯示各零部件狀態(tài)良好，無(wú)裂紋產(chǎn)生，驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性.

4 結(jié)束語(yǔ)

以某車型行李箱蓋為研究對(duì)象，提出一種對(duì)汽車開(kāi)閉件進(jìn)行關(guān)閉沖擊仿真的建模方法.通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性.對(duì)行李箱蓋耐久性進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該建模方法準(zhǔn)確性較高，能有效評(píng)估行李箱蓋等開(kāi)閉件的耐久性.

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（編輯 武曉英）