車門開閉耐久仿真分析研究及結構優(yōu)化

胡冬青，周德生，劉向征，喻賽，范建軍

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

車門是汽車的重要組成部分，在日常使用中反復開關車門，局部區(qū)域所受應力雖未達到材料的屈服極限，但仍可能出現(xiàn)疲勞裂紋進而斷裂，導致異響、生銹和漏水等問題。因此，在汽車設計開發(fā)過程中，汽車開閉耐久性能已然成為評價汽車品質好壞的重要指標[1]。通常，車門開閉耐久性能主要通過車門開關耐久臺架試驗來評估的。但在項目開發(fā)前期，無試驗樣車；項目開發(fā)后期，若臺架試驗出現(xiàn)開裂問題，需修改結構并重新試驗，這直接影響項目開發(fā)周期和產生大量的試驗費用。仿真分析能夠在項目開發(fā)前期介入，預測結構設計的風險位置并提出優(yōu)化方案，大幅縮短試驗周期、試錯頻率和費用。

本文以某車型后門為研究對象，通過非線性瞬態(tài)軟件Abaqus/Explicit和Ncode疲勞軟件聯(lián)合仿真，驗證玻璃升降安裝區(qū)域鈑金開裂問題。并對開裂區(qū)域結構進行優(yōu)化設計，經(jīng)試驗驗證優(yōu)化方案的可行性和分析方法的準確性，為后續(xù)項目開發(fā)提供參考和分析方法。

1 非線性動力學及疲勞損傷累積理論

1.1 非線性動力學理論

車門開關的實質是一個有阻尼多自由度系統(tǒng)的動力學問題[2]，包括材料非線性、幾何非線性和邊界非線性。

為了得到車門關閉時與車身撞擊過程結構動力學響應，使用Abaqus/Explicit軟件進行瞬態(tài)動力學分析[1]，瞬態(tài)動力學分析求解的運動有限元方程為：

其中，M為集中質量矩陣，C為集中阻尼矩陣，K為剛度矩陣，為節(jié)點加速度向量，為節(jié)點速度向量，u為節(jié)點位移向量，P為節(jié)點外力向量，F(xiàn)為節(jié)點內力向量。

1.2 Miner累積損傷理論

目前，工程中應用最為廣泛的疲勞分析理論是Miner 累積損傷理論[3]。該理論認為試樣的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的反復作用下累積造成的，且與載荷的作用順序無關[4-6]。

假設試樣所吸收的能量達到極限值W時發(fā)生疲勞破壞，對應試樣破壞前的總循環(huán)次數(shù)為N，且認為試樣在循環(huán)數(shù)n作用下，與其吸收的能量w之間存在正比關系，即：

若試樣在l個不同應力水平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，而每個應力水平均產生一個對應的損傷，其總損傷為：

當總損傷=1時，試樣吸收的能量達到極限值W，發(fā)生疲勞破壞。

1.3 局部應變壽命法

局部應變壽命法（E-N方法）應用了材料的“記憶特性”，該方法考慮了載荷循環(huán)順序對壽命的影響，從而壽命預測結果與實際情況更加吻合。局部應力應變法適用于解決高應變低周疲勞問題。

Morrow 認為疲勞壽命與彈性應變和塑性應變均有影響。因此彈性應變和塑性應變之和的壽命曲線可用Coffin- Manson-Basquin方程式來描述[7]：

式中：ε為總應變幅；εe為彈性應變；εp為彈性應變；σ'f為疲勞強度系數(shù)；2Nf為反向計數(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

本文研究用于項目開發(fā)階段，利用CAE手段對樣車開閉耐久試驗的疲勞壽命預測。利用沖擊強度的瞬態(tài)動力學分析和Ncode 疲勞軟件聯(lián)合仿真，建立了詳細的車門沖擊強度有限元分析模型，包括詳細的緩沖塊、密封條和鎖參數(shù)建模，并對玻璃全開、半開、全閉狀態(tài)的組合進行了模擬以及詳細完整的車門附件建模。

車門開閉耐久分析一般流程如圖1 所示。首先，利用Abaqus/Explicit求解器進行沖擊強度的瞬態(tài)動力學分析，獲得各單元時域下的沖擊應力；然后在Ncode軟件中基于各單元時域下的沖擊應力及結合沖擊時間歷程，預測車門結構設計的危險區(qū)域。

圖1 車門開閉耐久分析流程

3 車門仿真分析及優(yōu)化

3.1 有限元模型

為準確模擬車門開閉耐久試驗中各零件之間的運動，需建立詳細的車門有限元模型；同時需考慮玻璃狀態(tài)對鈑金壽命的影響，試驗時玻璃狀態(tài)為玻璃全開、半開、全閉狀態(tài)。

整備車門總成模型需包括門鈑金、門飾板、門鎖系統(tǒng)、玻璃和玻璃升降器系統(tǒng)、揚聲器、緩沖塊和密封條系統(tǒng)。門鈑金、玻璃和玻璃導軌采用基本尺寸6mm殼單元模擬，揚聲器、門把手、亮條和門飾板采用集中質量Mass單元模擬，并用RBE3單元與車門安裝孔相連，分析模型如圖2所示。

白車身采用柔性車身，車門通過鉸鏈安裝在車身上，并繞著鉸鏈軸以1.5m/s旋轉關閉，車門與密封條、緩沖塊接觸，鎖扣卡入門鎖棘輪，門鎖棘輪與止動爪反復嚙合，此時車門各部件反復回彈直至靜止[8]。

圖2 分析模型

密封條、門鎖和緩沖塊作為車門關閉時的主要緩沖模塊，在車門關閉時所提供的力學特性曲線是否準確，是車門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。

密封條在車門關閉過程中起到至關重要的緩沖作用，其剛度直接影響車門動能轉換為泡管形變能以及關門順暢和聲品質等，尤其對窗框振動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，連接類型為AXIAL，其剛度由實測確定，二道密封膠條壓縮示意圖和壓縮負荷曲線如圖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，連接類型為CARTESIAN和CARDAN組合，并賦予X、Y、Z方向剛度，其剛度由實測確定。

圖4 二道密封條壓縮負荷曲線示意圖

針對關門速度較大時，需要測量全行程下的密封條壓縮負荷曲線。

3.1.2 鎖機構模擬

車門在關閉過程中，鎖舌沖擊鎖扣，帶動棘輪轉動，最終鎖扣沖擊過行程緩沖塊。當過行程緩沖塊壓縮一定程度后，車門回彈，門鎖棘輪與止動爪反復嚙合，車門各部件反復回彈震蕩并最終鎖止。過行程緩沖塊、棘輪和止動爪彈簧/扭簧的剛度在關門過程中，對車門動能的吸收、震蕩和過行程的位置起至關重要的作用，鎖體結構如圖5所示。

圖5 鎖體結構示意圖

為準確模擬門鎖的鎖止，反映車門動能轉化為內能以及門鎖上鎖時車門的震蕩過程，需將門鎖系統(tǒng)詳細建模，由其自行判斷鎖止點和時間。門鎖殼體用殼體單元模擬；鎖扣、棘輪和止動爪采用實體剛體單元模擬；扭簧采用CONN3D2單元模擬，連接類型為HINGE，扭簧剛度參數(shù)由實測確定，如表1所示；橡膠緩沖塊采用CONN3D2單元模擬，連接類型為TRANSLATOR，其參數(shù)示意圖如圖所示，門鎖機構有限元模型如圖6所示。

表1 扭簧主要參數(shù)

圖6 門鎖有限元模型

3.1.3 緩沖塊模擬

緩沖塊在車門關閉過程中能起到緩沖減震的作用，分析時需考慮緩沖塊的影響。車門正常關閉下，緩沖塊有一定的間隙量，約1～2mm。緩沖塊采用CONN3D2單元模擬，連接類型為AXIAL，其剛度由實測確定，某緩沖塊剛度曲線如圖7所示。

圖7 緩沖塊剛度曲線示意圖

3.2 車門沖擊強度分析

為提升計算效率，截取一部分車身，約束車身截取面1～6方向自由度，車門開啟3°后，車門繞著鉸鏈軸以1.5m/s旋轉關閉，并在分析模型中建立通用接觸。

運用Abaqus/Explicit求解器進行瞬態(tài)動力學分析，獲得時域下的沖擊應力?；陲@式算法理論，根據(jù)各能量分量之間的比較，評估分析結果的合理性。一般情況，建議偽應變能不超過內能的10%，動能與內能相互轉化，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，動能和內能相互轉化，且偽應變能較小，因此判斷分析結果可信。

車門在0.048s時，鎖扣與門鎖過行程緩沖塊接觸，并壓縮至最低位置，此時門內板應力分布如圖9所示。

圖9 t=0.048s時內板應力分布

車門在0.066s時，門鎖棘輪與止動爪第一次嚙合接觸；車門在0.084s時，受慣性力影響，門內板Y向運動至極限位置，門內板應力分布分別如圖10（a）、（b）所示。

圖10 內板應力分布

車門內板材料為DC54D，屈服極限為179Mpa。從不同時刻的應力云圖可以看出，高應力危險區(qū)域主要分布在升降電機安裝點、門鎖安裝點區(qū)域，尤其是玻璃升降器下安裝點附近區(qū)域。

玻璃升降器下安裝點附近區(qū)域在42.55HZ時出現(xiàn)局部彎曲模態(tài)，如圖11所示。結合該區(qū)域多次出現(xiàn)高應力，需重點關注，極有可能發(fā)生疲勞破壞。

圖11 內板局部模態(tài)

3.3 鈑金疲勞分析

車門開閉耐久為低周疲勞失效，在Ncode軟件采用應變疲勞（E-N曲線）準則，將車門沖擊強度時域下的應力歷程文件導入Ncode軟件中，計算得出車門開關沖擊的疲勞壽命結果如圖12所示。

圖12 內板疲勞壽命分布

從圖12可以看出，內板最低壽命為4.38萬次，分布在玻璃升降器下安裝點附近圓角過渡區(qū)域，不滿目標5萬次要求。

3.4 優(yōu)化方案確定

經(jīng)車門開閉耐久試驗后，發(fā)現(xiàn)后門玻璃升降器安裝點附近區(qū)域在3.85萬次時，出現(xiàn)鈑金開裂，右后門較左后門開裂明顯，如圖13（a）（b）所示。

圖13 后門開裂位置

對比發(fā)現(xiàn)，仿真的風險位置與試驗開裂位置相符，本例中未考慮內板材料減薄對疲勞壽命降低的影響，因此仿真最低壽命略高于試驗開裂壽命，是合理的，仿真結果可信。

通過車門沖擊強度、疲勞壽命和模態(tài)分析結果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在關門過程中，出現(xiàn)多次回彈折彎現(xiàn)象。同時，開裂位置為三個面交匯處，過渡不夠順暢?；谝陨戏治?，優(yōu)化方案如下：

方案1：將圖14（a）玻璃升降器前側①處增加加強筋結構，具體如圖14（b）所示。

方案2：在方案1基礎上，將圖14（a）漏液孔區(qū)域②的臺階面下沉6mm，并球化圓角過渡區(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)化方案的沖擊強度結果并代入Ncode軟件中，計算得出車門開關沖擊的疲勞壽命結果如圖15（a）（b）所示。

由圖15（a）可知，方案1的內板最低壽命為10.2萬次，分布在三角窗導軌下安裝點處，其中原開裂位置處的鈑金最低壽命為65.2萬次。

由圖15（b）可知，方案2的內板最低壽命為9.73萬次，分布在玻璃升降器安裝點處，其中原開裂位置處的鈑金最低壽命為1104.6萬次。

對比優(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。

圖15 優(yōu)化方案內板壽命分布

4 優(yōu)化方案試驗驗證

為了驗證優(yōu)化方案有效性，根據(jù)優(yōu)化方案2結構制作樣 車，進行開閉耐久試驗評價。車門經(jīng)過5 萬次開閉試驗后，車門開關正常，各部件運作良好，車門鈑金未發(fā)生開裂現(xiàn)象，與仿真結果吻合，從而驗證了仿真方法的合理性和有效性。

5 結語

本文以某車型的車門開閉耐久疲勞仿真開發(fā)為例，對密封條、鎖和緩沖塊等吸能部件進行了詳細建模，建立車門沖擊強度分析模型并進行開閉耐久分析，找出了車門結構設計的薄弱點并進行了結構優(yōu)化和疲勞壽命分析，驗證了優(yōu)化方案的有效性和分析方法的合理性，為車門的疲勞耐久設計和結構優(yōu)化提供依據(jù)。

本文在提出優(yōu)化方案時，結合了沖擊強度動態(tài)變形圖、模態(tài)應變能云圖等輔助手段拓展優(yōu)化思路，最終獲得滿足工藝、布置等約束的優(yōu)化方案。本文分析方法可適用于發(fā)罩、掀背門和行李箱蓋的開閉耐久分析。