基于模態(tài)疊加法的后背門焊點(diǎn)疲勞預(yù)測

鄭 軒,茍黎剛,廖慧紅,張 俊,尹道志,郭川川

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引 言

乘用車上市之后隨后一般會進(jìn)行緊張的年款或中期改款項(xiàng)目，旨在快速持續(xù)的推出改進(jìn)產(chǎn)品和新造型適應(yīng)廣大消費(fèi)者的愛好。后背門就是其中改動頻繁的一個(gè)總成。后背門在整車中的作用主要是開關(guān)行李艙的作用，不受較大的載荷，因此內(nèi)外板通常會使用較薄的低強(qiáng)度鍍鋅板，然而，偶發(fā)性的后背門焊點(diǎn)失效常出現(xiàn)在耐久試驗(yàn)中，具體表現(xiàn)在同批次車，有個(gè)別車出現(xiàn)失效問題，其余車均未出現(xiàn)此類問題。

筆者分別利用準(zhǔn)靜態(tài)疲勞法和模態(tài)瞬態(tài)法對后背門進(jìn)行耐久驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際情況，對模型進(jìn)行改動，最終對比理論狀態(tài)和實(shí)車狀態(tài)后背門耐久性能影響，揭露后背門個(gè)例失效的根本原因。

1 方法及背景介紹

1.1 方法介紹

當(dāng)前行業(yè)常用的疲勞方法是準(zhǔn)靜態(tài)法疲勞分析，其優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單，計(jì)算速度快，其使用范圍受限于激勵(lì)載荷頻率遠(yuǎn)離所分析機(jī)構(gòu)的情況，此時(shí)結(jié)構(gòu)不具有動態(tài)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)受力情況可以通過多通道載荷疊加方法獲得。此方法比較簡單，本文不做詳細(xì)介紹。

另一種疲勞方法是瞬態(tài)法。瞬態(tài)法分直接法和模態(tài)疊加法兩種。直接法是實(shí)際載荷直接施加到結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程中，應(yīng)用隱式或顯式積分算法求解任意指定時(shí)段內(nèi)結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力，具有精度高且能反映振動特性，但缺點(diǎn)式計(jì)算量巨大，對磁盤空間需求也十分驚人。而基于模態(tài)疊加法適用于當(dāng)載荷頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率的情況。與直接法對比，模態(tài)疊加方法效率高、占用內(nèi)存也顯著降低。

基于模態(tài)疊加法的瞬態(tài)疲勞分析不僅可以考核到準(zhǔn)靜態(tài)造成的疲勞損傷，而且可以考核到因激勵(lì)造成的共振導(dǎo)致的損傷。其理論方法如下：

對于無阻尼系統(tǒng)，動力學(xué)方程式為：

(1)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度矩陣；{p(t)}為模態(tài)力向量；{u(t)}為彈性位移向量。

將彈性位移向量從物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)：

{u(t)}=[φ]{ξ(t)}

(2)

式中：[φ]為模態(tài)向量矩陣；{ξ(t)}為模態(tài)坐標(biāo)。

將方程式(2)導(dǎo)入方程式(1)，并且方程式(1)兩邊同時(shí)左乘[φ]T：

=[φ]T{P(t)}

(3)

式中：[φ]T[M] [φ]為模態(tài)質(zhì)量矩陣，是對角矩陣；[φ]T[K] [φ]為剛度矩陣，是對角矩陣；[φ]T{P(t)}為模態(tài)力向量。

則系統(tǒng)方程解耦得到單自由度系統(tǒng)動力學(xué)方程：

(4)

式中：mi為第i個(gè)模態(tài)質(zhì)量；ki為第i個(gè)模態(tài)剛度；Pi(t)為第i個(gè)模態(tài)力。

通過求解一系列單自由度系統(tǒng)運(yùn)動方程，得到各階模態(tài)的模態(tài)坐標(biāo)，再將各階模態(tài)向量和對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)根據(jù)方程式(2)進(jìn)行疊加計(jì)算得到瞬態(tài)響應(yīng)分析的最終結(jié)果。

實(shí)際仿真計(jì)算過程主要分為以下四步：

第一步，獲取疲勞分析中的載荷。當(dāng)前獲取的方式有靠輪心六分儀實(shí)車采集和虛擬試驗(yàn)場提載兩種方式，本文采用的是虛擬實(shí)驗(yàn)場提載的載荷。

第二步，為保證結(jié)果精確度，對模型進(jìn)行真實(shí)的建模和連接，同時(shí)賦予每個(gè)零件正確的材料屬性，對非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重，保證最終模型質(zhì)量和重心與設(shè)計(jì)狀態(tài)誤差在2%以內(nèi)。

第三步，分別通過nastran求解器SOL103和SOL112獲取模型模態(tài)應(yīng)力和模態(tài)坐標(biāo)。

第四步，將模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)應(yīng)力輸入Ncode疲勞分析軟件進(jìn)行疲勞計(jì)算。

模態(tài)疊加法仿真示意圖及流程圖如圖1、2所示。

圖1 模態(tài)疊加法理論計(jì)算示意圖

1.2 背景介紹

某車型同批次三輛車同期在試驗(yàn)場進(jìn)行耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束后拆車發(fā)現(xiàn)其中有一輛車后背門左右鉸鏈區(qū)域焊點(diǎn)有明顯開裂，如圖3，而其余兩輛車均未出現(xiàn)此現(xiàn)象，后經(jīng)焊裝工藝檢查焊點(diǎn)沒有問題。文中分別通過準(zhǔn)靜態(tài)和瞬態(tài)方法對某車型后背門焊點(diǎn)進(jìn)行耐久和失效原因進(jìn)行分析，說明模態(tài)疊加法在后背門開發(fā)過程中的必要性。

圖2 疲勞計(jì)算流程圖

圖3 后背門左右鉸鏈焊點(diǎn)失效實(shí)拍

1.3 驗(yàn)證方案及模型

文中針對耐久車后背門鉸鏈區(qū)域焊點(diǎn)開裂原因進(jìn)行調(diào)查，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)過程中，后背門有異響現(xiàn)象反饋，進(jìn)一步實(shí)車調(diào)查后發(fā)現(xiàn)后背門左右緩沖塊調(diào)整不到位，緩沖塊與車身側(cè)有一定間隙，對仿真模型進(jìn)行修正，使其與實(shí)車狀態(tài)一致，在仿真模型上將左右側(cè)緩沖塊取消。如圖4所示。將后背門裝配到整車模型上，采用準(zhǔn)靜態(tài)和模態(tài)瞬態(tài)法分別對設(shè)計(jì)狀態(tài)(有緩沖塊)和實(shí)車狀態(tài)(無緩沖塊)加載VPG中提取的載荷，進(jìn)行仿真分析。如圖5所示。

圖4 方案示意圖

圖5 車身載荷及模型

2 分析結(jié)果

2.1 焊點(diǎn)疲勞結(jié)果

對車身模型進(jìn)行模態(tài)疊加瞬態(tài)分析后會得出車身模態(tài)應(yīng)力和模態(tài)坐標(biāo)的結(jié)果文件，對其進(jìn)行上述理論疊加即可反應(yīng)結(jié)構(gòu)動應(yīng)力和焊點(diǎn)受力載荷。將仿真計(jì)算得出的模態(tài)應(yīng)力及模態(tài)坐標(biāo)結(jié)果輸入疲勞分析軟件中進(jìn)行模態(tài)應(yīng)力的疊加和焊點(diǎn)疲勞的計(jì)算，最終疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 不同方法及方案焊點(diǎn)壽命結(jié)果對比 /%

由上述結(jié)果可以看出，不同分析方法，同一焊點(diǎn)壽命最多能相差32倍，同時(shí)后背門在緩沖塊接觸不到位即實(shí)車狀態(tài)時(shí)，會導(dǎo)致鉸鏈加強(qiáng)板區(qū)域焊點(diǎn)大幅降低，降幅超2000多倍。

2.2 原因分析

考慮到后背門為非承載功能件，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果判斷，此次失效為后背門動態(tài)響應(yīng)造成的焊點(diǎn)失效。分別對載荷和后背門的動態(tài)性能(頻率)進(jìn)行檢查。對理論狀態(tài)和實(shí)車狀態(tài)下后背門模態(tài)性能進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種方案后背門一階X向振動模態(tài)

實(shí)車狀態(tài)后背門一階呼吸模態(tài)從理論狀態(tài)的29.1 Hz降低到25.5 Hz，此外，對EV110和EV111路面后減震安裝點(diǎn)載荷進(jìn)行傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)其能量主要集中在22～26 Hz，如圖7所示。后背門實(shí)車狀態(tài)的25.5 Hz呼吸模態(tài)剛好在其范圍內(nèi)，造成后背門的共振，從而導(dǎo)致其鉸鏈加強(qiáng)板區(qū)域焊點(diǎn)開裂。至此可以斷定此次后背門鉸鏈區(qū)域焊點(diǎn)開裂主要是緩沖塊接觸不到位導(dǎo)致后背門一階模態(tài)與路面載荷發(fā)生共振導(dǎo)致的。

圖7 EV110及EV111路面載荷傅里葉變換曲線

3 結(jié) 論

通過以上不同方法不同方案的有限元計(jì)算結(jié)果得出如下結(jié)論：

(1) 后背門緩沖塊對于后背門總成模態(tài)及疲勞性能有非常重要的影響，直接導(dǎo)致乘客的使用，因此在整車下線時(shí)，對于后背門調(diào)試工作要作為非常重要的一環(huán)，避免緩沖塊與車身側(cè)存在較大間隙，失去其應(yīng)有功能。

(2) 準(zhǔn)靜態(tài)法考慮不到結(jié)構(gòu)的動態(tài)受力情況，因此僅適用于結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、固有模態(tài)較高的的底盤件和白車身總成。

(3) 對于整車非承載結(jié)構(gòu)，例如發(fā)動機(jī)蓋、車門、后背門及安裝于車身的支架類結(jié)構(gòu)，在開發(fā)過程中，除了滿足基本的剛強(qiáng)度外，必須要經(jīng)過基于模態(tài)疊加的瞬態(tài)疲勞分析驗(yàn)證，才能覆蓋因路面激勵(lì)導(dǎo)致的振動疲勞。

通過文中案例仿真和試驗(yàn)對標(biāo)可以看出，模態(tài)疊加法能夠很好的暴露后背門在整車振動過程中產(chǎn)生的振動失效問題。在汽車開發(fā)前提可以使用此方法規(guī)避后期實(shí)車可能出現(xiàn)的問題，對后背門的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)，并完善了后背門的設(shè)計(jì)規(guī)范。