汽車側(cè)門開關(guān)疲勞瞬態(tài)仿真方法研究

奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，安徽 蕪湖 241009

汽車側(cè)門作為車身系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著整車使用性能的高低[1]，如噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（noise vibration harshness,NVH）、安全、耐久、關(guān)門品質(zhì)[2?4]等。特別是針對(duì)于汽車的輕量化設(shè)計(jì)，側(cè)門的減重貢獻(xiàn)量突出，因此對(duì)側(cè)門的性能提出了更高的挑戰(zhàn)。通過對(duì)側(cè)門結(jié)構(gòu)性能的分析，如模態(tài)、剛度、抗凹、下垂、過開等[5?7]，能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期很好地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期。但是對(duì)于汽車結(jié)構(gòu)中使用頻率較高的側(cè)門而言，出現(xiàn)問題主要是以經(jīng)常開關(guān)造成的疲勞損壞為主，而開關(guān)疲勞分析能很好地貼合實(shí)際工況。

目前，常用的開關(guān)模擬方法有慣性釋放法和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法[8?13]。慣性釋放法效率高，但無法精確地模擬側(cè)門在關(guān)閉中的真實(shí)過程，如接觸、密封條、鎖沖擊振蕩等，因此計(jì)算結(jié)果精度不高[14]；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析更接近實(shí)際，但是動(dòng)態(tài)模擬復(fù)雜，需要考慮多種非線性邊界條件的影響，因此，如何準(zhǔn)確地模擬出側(cè)門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是分析開關(guān)疲勞的關(guān)鍵。本文以某車型的前側(cè)門為例，采用Abaqus/Explicit 進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，通過與實(shí)驗(yàn)加速度的對(duì)標(biāo)，修正密封條阻尼參數(shù)，使測試和仿真加速度具有較好的相關(guān)性，獲得準(zhǔn)確仿真模型。采用Ncode 軟件開展疲勞仿真分析，預(yù)測出風(fēng)險(xiǎn)位置，并優(yōu)化改進(jìn)，最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求。

1 汽車側(cè)門開關(guān)疲勞分析方法

側(cè)門的開關(guān)疲勞分析主要分為2 步：1)進(jìn)行側(cè)門開關(guān)過程的瞬態(tài)分析，通過有限元建模、材料參數(shù)及加載工況的輸入，在Abaqus 軟件中求解得到焊點(diǎn)力與力矩、鈑金應(yīng)力應(yīng)變的時(shí)間歷程；2)將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Ncode Designlife 軟件中，關(guān)聯(lián)焊點(diǎn) S-N 及鈑金 E-N 曲線，通過 Miner線性累積原理，得到多次循環(huán)下的損傷。最終根據(jù)目標(biāo)，判定是否滿足要求，不滿足需要優(yōu)化改進(jìn)。具體流程如圖1 所示。

圖1 汽車側(cè)門開關(guān)疲勞分析流程

2 有限元模型

Abaqus/Explicit 采用中心差分法對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，求解顯式運(yùn)動(dòng)方程，因?yàn)椴恍枰蠼饩€性方程組，所以每個(gè)增量步的費(fèi)用較低，特別適用于求解需要分成許多小的時(shí)間增量來達(dá)到高精度的動(dòng)力學(xué)仿真，如沖擊、碰撞等[15?17]。在Abaqus中，求解應(yīng)力或位移的單元類型很多，本文中選用的是線性減縮積分單元提高分析效率。但是線性減縮積分單元由于存在“沙漏”問題，采用線性減縮積分單元模擬承受彎曲載荷的結(jié)構(gòu)時(shí)，沿厚度方向上至少應(yīng)劃分4 個(gè)單元[18]。

截取1/4 車身模型，如圖2 所示，約束截取位置處全部自由度?？刂凭W(wǎng)格質(zhì)量如翹曲度、長寬比、傾斜角度、雅克比等，特別是網(wǎng)格尺寸，過小的網(wǎng)格尺寸會(huì)導(dǎo)致計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間增量變小，使計(jì)算效率急劇下降。針對(duì)此問題，可以采用質(zhì)量縮放的方法控制時(shí)間增量。然而使用時(shí)要注意，因?yàn)槟Ｐ唾|(zhì)量增加太大會(huì)使結(jié)果失真，通過能量守恒判斷結(jié)果的合理性[19]。側(cè)門開關(guān)疲勞的過程其實(shí)就是門在關(guān)閉瞬間從動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的過程，關(guān)閉時(shí)的能量大概30%由密封條吸收，25%由緩沖塊吸收，40%由鎖吸收，其余5%由其他組件吸收[20]，因此密封條、緩沖塊、鎖的模擬尤為重要。

圖2 分析模型截取示意

側(cè)門的密封條主要由2 部分組成，門洞車身側(cè)與側(cè)門側(cè)。密封條的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如圖3所示，在仿真過程中，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。在建模中，密封條的形貌要保留，用于模擬變形和接觸；抽取密封條外表面的中面用殼單元模擬，附上密封條的材料；密封條的剛度在側(cè)門關(guān)閉過程中很重要，剛度過大使得關(guān)門困難，過小起不到吸能作用，而且不同位置的密封條剛度不一樣，因此不同位置需要建立局部坐標(biāo)系指定方向，剛度以一定數(shù)量的彈簧單元模擬，彈簧單元均布在密封條中。

圖3 密封條實(shí)物截面結(jié)構(gòu)及有限元模型

通常，密封條剛度由實(shí)驗(yàn)測得。密封條剛度實(shí)驗(yàn)樣件與實(shí)際安裝在側(cè)門上的長度不同，需要通過公式將剛度轉(zhuǎn)換到每個(gè)彈簧單元上：

式中：f為單個(gè)彈簧單元在某壓縮量下的載荷大小；F代表長度為l的密封條樣件在某壓縮量下的載荷大??；L為某段密封條的總長度；N為模擬某段密封條彈簧單元的總個(gè)數(shù)。本文密封條彈簧單元間隔為20 mm，由于實(shí)測的剛度非線性段太多，可以選取多個(gè)值進(jìn)行擬合等效，門洞側(cè)的某段密封條原始的及等效后的彈簧單元?jiǎng)偠惹€如圖4所示。

圖4 密封條彈簧剛度曲線

緩沖塊的建模規(guī)則與密封條類似，如圖5 所示，建立緩沖塊外部表面網(wǎng)格模擬接觸，利用彈簧單元模擬其剛度，剛度值由實(shí)驗(yàn)測得。

圖5 緩沖塊有限元模型

鎖機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建模中只有準(zhǔn)確地模擬鎖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才能準(zhǔn)確地模擬門關(guān)閉過程。如圖6 所示，鎖機(jī)構(gòu)中背板、鎖舌、鎖鉤、棘爪采用實(shí)體單元建模，其中棘爪及鎖舌外圈單位需要根據(jù)實(shí)際材料附上材料屬性，在接觸上后能更好地吸收內(nèi)能；銷軸以及扭轉(zhuǎn)彈簧分開模擬，銷軸通過梁單元B31 模擬，截面直徑為銷軸直徑；扭轉(zhuǎn)彈簧用前述彈簧單元模擬，扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度同樣由實(shí)驗(yàn)測得。側(cè)門在關(guān)閉過程中，鎖鉤首先與鎖舌碰撞并接觸，迫使鎖舌轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鎖柱進(jìn)入到鎖舌和棘爪之間，達(dá)到半鎖狀態(tài)；鎖舌撞擊棘爪，使棘爪先向下轉(zhuǎn)動(dòng)，再向上卡住鎖舌進(jìn)入全鎖狀態(tài)。棘爪和鎖舌之間通過自身的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行限位，使鎖鉤不能脫出。由于沖擊力作用，全鎖后鎖鉤會(huì)在鎖舌和棘爪間來回進(jìn)行振蕩。

圖6 鎖機(jī)構(gòu)有限元模型

側(cè)門與車身通過鉸鏈連接，鉸鏈由3 部分組成，車身側(cè)鉸鏈本體及側(cè)門側(cè)鉸鏈本體用實(shí)體建模，銷軸采用Hinge 單元模擬。其他附件以質(zhì)量點(diǎn)代替。

3 模型對(duì)標(biāo)

在做實(shí)驗(yàn)的過程中，加速度是一個(gè)很容易測得的結(jié)果，可以通過加速度傳感器獲得該數(shù)據(jù)。因此，本文采用基于加速度對(duì)標(biāo)的方法來修正模型。實(shí)驗(yàn)因傳感器連接到電腦，如果在內(nèi)部取點(diǎn)會(huì)影響側(cè)門關(guān)閉；外部的取點(diǎn)主要根據(jù)鉸鏈和鎖對(duì)應(yīng)外板位置，其余位置均布在門框邊界及中部位置，實(shí)驗(yàn)測試加速度7 個(gè)位置如圖7 所示。因鉸鏈側(cè)的加速度響應(yīng)不明顯，文中主要列取鎖處及邊界位置點(diǎn)P1、P4、P5的加速度響應(yīng)圖及對(duì)標(biāo)結(jié)果。

圖7 實(shí)驗(yàn)及仿真加速度位置

疲勞損傷的主要影響是幅值，因此把加速度的最小值a和最大值b作為主要目標(biāo)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)如圖8 所示。

圖8 加速度對(duì)標(biāo)曲線

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，鎖在鎖死后，實(shí)驗(yàn)加速度衰減迅速，但仿真結(jié)果一直在激蕩，沒有衰減?？紤]到側(cè)門在實(shí)際關(guān)閉的過程中存在各種阻尼，如空氣、密封條、緩沖塊等，因密封條面積較大，占主要因素。但是阻尼的獲取比較困難，本文通過將阻尼等效在密封條上進(jìn)行對(duì)標(biāo)。設(shè)置密封條阻尼比為1%～5%，與實(shí)驗(yàn)加速度進(jìn)行對(duì)標(biāo)，列出P1點(diǎn)對(duì)標(biāo)結(jié)果，如圖9 所示。

圖9 不同阻尼比的加速度對(duì)標(biāo)曲線

通過結(jié)果對(duì)比，阻尼比在1%～5%變化時(shí)，加速度的第一個(gè)峰值變化不大；隨著阻尼比的增大，加速度衰減越快，但是幅值并不是線性的下降，比如3%的加速度幅值比2%大。與實(shí)驗(yàn)加速度對(duì)比，當(dāng)阻尼比為2%時(shí)，最大和最小幅值及衰減過程相關(guān)性較好，因此選取密封條阻尼比為2%進(jìn)行疲勞計(jì)算。

4 疲勞驗(yàn)證

計(jì)算得到的損傷結(jié)果如圖10 所示，最大損傷在靠近下部門框處焊點(diǎn)，損傷值為1.6、1.1。

圖10 疲勞仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)開裂位置如圖11 所示，與仿真最大損傷位置為同一處焊點(diǎn)，驗(yàn)證了仿真與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性較好。對(duì)開裂焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在開裂位置增加一段結(jié)構(gòu)膠，仿真得到損傷為0.028、0.017，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖11 開關(guān)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1）本文建立了側(cè)門開關(guān)疲勞的瞬態(tài)仿真方法，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)。

2）阻尼對(duì)于側(cè)門加速度響應(yīng)具有較大的影響，特別是幅值的衰減，當(dāng)密封條阻尼比為2%時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)具有較好的相關(guān)性。

3）后續(xù)還需要研究側(cè)門在關(guān)閉過程中空氣、緩沖塊、鎖的阻尼等，進(jìn)一步提升仿真精度。