汽車車門有限元分析及可靠性優(yōu)化設計

陳東，楊萬慶，錢銀超，劉向征

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

汽車車門其主要功能是為乘客提供進出通道，因此需要經(jīng)受反復的開關沖擊應力，造成了局部位置出現(xiàn)疲勞開裂問題[1]。車門的開閉耐久周期較長，試驗成本較高，因此車門的前期仿真很重要。馮長凱等[2]采用Ncode軟件對車門進行疲勞分析，并通過試驗驗證，最終優(yōu)化風險位置解決開閉耐久問題。喬淑平等[3]考慮了車門關閉及車門過開工況的影響因素。刑志偉等[4]基于某微型客車車門利用仿真方法預測開裂的風險點，然后通過試驗驗證方法的有效性。

由于開閉耐久的復雜性，往往仿真精度較低。究其原因，仿真趨于理論解，并沒有充分考慮產(chǎn)品樣件的實際制造和試驗相關不確定因素的影響。本文作者以某次開閉耐久試驗中開裂為例進行研究，首先利用Miner損傷理論對風險位置進行預測，然后將有限元法和試驗設計相結合對結構進行最優(yōu)化設計，最后充分考慮制造等不確定因素的影響，提升設計的可靠性，規(guī)避疲勞耐久開裂風險。把其可靠度從46.6%提升到95%，并通過試驗證明可靠性優(yōu)化設計方法可以有效降低車門開裂問題。文中研究為提前規(guī)避耐久開裂問題提供了一種可靠性設計思路。

1 車門的分析理論及流程

開閉耐久仿真分析的流程是，首先通過仿真計算得到危險點處的應力，然后對風險應力和應變進行線性損傷累計，最終計算出疲勞。其風險點處的應變-壽命關系方程式為

(1)

開閉耐久仿真的理論基礎是線性損傷Miner理論[5]，其數(shù)學表達式為

(2)

式中:σ1，σ2，…，σl代表不同等級應力水平構成;N1，N2，…，Nl依次為各應力水平下的壽命水平;n1，n2，…，nl依次為各應力水平下的損傷;D為總損傷。

2 車門的有限元分析

2.1 車門有限元模型

文中的車門有限元分析模型，基本單元尺寸為10 mm，板殼基本采用殼單元Shell，焊點采用B31單元模擬，焊縫采用RBE2單元模擬。整個模型包括車門鈑金、白車身、車門附件等。按照車門的實際質量進行配重，最終建立的有限元模型如圖1所示，整個模型共有254 321個節(jié)點，226 635個單元組成。

圖1 車門仿真分析模型

為了保證仿真模型的精確度，對車門進行剛度、模態(tài)和試驗標定[6]。通過修正仿真建模，其最終的仿真和試驗的剛度偏差對比見表1。通過表1結果基本驗證了模型的精確度。

表1 仿真和試驗的剛度偏差對比

2.2 車門沖擊疲勞分析

2.2.1 沖擊應力分析

利用Ncode軟件對車門進行沖擊耐久分析，其邊界條件為約束車身截取端的全部6個自由度，對整車門開啟3°～5°，對車門施加1.8 rad/s的初始角速度，其等效到門鎖扣處為1.5 rad/s，同時對模型施加重力場。利用ABAQUS仿真軟件計算出開閉耐久過程中的風險應力[7]。

應力最大處為車門窗框處單元在0.048、0.09 s處出現(xiàn)最大應力如圖2所示。

圖2 車門關閉時風險單元89 452

2.2.2 疲勞分析

利用Ncode疲勞分析軟件對車門沖擊應力進行疲勞分析，分別計算出全開、半開、全閉3種狀態(tài)下的應力。然后對3種應力按照6∶3∶1進行組合，利用線性損傷原理計算的結果云圖如圖3所示。

圖3 車門開閉耐久分析結果

經(jīng)過對車門開閉耐久仿真分析，其風險最大處發(fā)生在窗框區(qū)域位置，該位置應力也最大，其壽命為6.3萬次。當前車門不滿足10萬次壽命要求，需要進一步優(yōu)化。

3 車門可靠性優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計概述

對車門進行優(yōu)化設計，優(yōu)化設計的核心就是把設計的問題通過數(shù)學模型來解決，即在約束條件下，求出數(shù)值最優(yōu)解。優(yōu)化分析的三要素即設計變量、設計目標以及設計約束[8]。

3.2 可靠性優(yōu)化設計的數(shù)學表達式

經(jīng)上述分析車門門框處焊點疲勞耐久分析不滿足耐久壽命要求，故對其進行優(yōu)化分析其數(shù)學模型[9]為：

Find：{(x1,ρ1),(x2,ρ2),…，(xn,ρn)}T

(1)

Minimize：f(y)=f(x)+f(ρ)

(2)

(3)

式中:xi,ρi為優(yōu)化設計變量；Y(ρ)為優(yōu)化變量；C(yi)、D(yi)為設計約束函數(shù)；f(y)為目標函數(shù)。

3.3 可靠性最優(yōu)設計

可靠性最優(yōu)化設計參數(shù)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化參數(shù)

(1)優(yōu)化設計參數(shù)主要包括窗框截面長度L1、窗框加強板長度L2和窗框加強板厚度T;

(2)設計約束定義垂向、側向、扭轉、模態(tài)可略低原始值10%，但需要滿足目標值；開閉耐久壽命，不低于10萬次；

(3)優(yōu)化目標定義質量最輕。

運用Optimus軟件采用拉丁超立方方法對設計變量進行抽樣，設計變量組數(shù)為100組數(shù)據(jù)，利用軟件得到其響應面，然后進行最優(yōu)化設計，確定設計的最優(yōu)值。最后對其最優(yōu)設計方案加入其制造的波動性等不確定因素，如圖5所示。最后進行MonteCarlo分析方法可靠性評估，得出其可靠性設計水平，可靠性設計流程如圖6所示[10]。

圖5 制造參數(shù)的Weibull分布

圖6 可靠性設計流程

可靠性前后設計參數(shù)及設計目標變化見表2。

表2 優(yōu)化前后性能對比

通過可靠性優(yōu)化前后可靠度由46.6%提升到95%，新的可靠性設計質量基本和原來相當。優(yōu)化后的開閉耐久置信度分布如圖7所示(灰色為失效樣本分布)。

圖7 可靠性優(yōu)化后的樣本分布

4 車門開關耐久試驗驗證

為了驗證方法的合理性，優(yōu)化前和可靠性優(yōu)化后的車門分別取5對車門進行可靠性驗證，對試驗過程進行嚴格監(jiān)控，每隔5 000次進行探傷。原方案在試驗進行到5.2萬次左右兩側車門均出現(xiàn)不同程度車門門框焊點開裂，如圖8所示。開裂的位置基本和仿真一致。利用可靠設計后的車門其未出現(xiàn)開裂問題，進一步驗證方法的合理性。

圖8 車門窗框開閉耐久失效圖

5 結論

(1)文中的研究首先通過對車門開閉耐久性能進行有限元分析，然后將有限元法和試驗設計相結合對結構進行最優(yōu)化設計，最后充分考慮制造等不確定因素的影響，提升設計的可靠性，降低疲勞耐久開裂風險。

(2)結果表明，充分考慮制造等不確定因素的波動性的可靠性設計方法能對提升車門耐久水平，有一定的幫助作用。

(3)文中的研究把某車門可靠度從46.6%提升到95%，并通過試驗驗證，證明方法的合理性。所得結論對車門可靠性設計具有一定的借鑒意義。

(4)由于可靠度對標需要大量的樣本，文中研究數(shù)據(jù)量有限存在一定偏差。