车门开闭耐久仿真分析研究及优化

2020-04-10乔淑平徐成民

汽车实用技术 2020年5期

关键词：车门

乔淑平徐成民

摘要：针对在车门开闭耐久试验过程中，某样车车门出现的焊点疲劳开裂问题，在考虑铰链连接、密封条连接及焊点细化建模的前提下，建立车门开闭耐久仿真有限元模型;根据Miner线性疲劳累计损伤理论，对车门开闭模型进行疲劳仿真分析，找出结构设计的风险点。在此基础上，提出优化方案，进行仿真疲劳寿命预测，最终通过试验验证了优化方案的有效性。提出了一种针对车门开闭耐久试验中焊点开裂的疲劳分析优化方法，可以在产品设计开发阶段，准确地发现问题并快速解决问题，可以缩短开发周期，节省开发费用，具有一定的工程实用价值。

关键词：车门;焊点;疲劳开裂;耐久仿真

中图分类号：U463.83+4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）05-143-05

Abstract： As for the fatigue crack problem of the welding spot in the prototype vehicle door during the opening-closing durability test， a nonlinear transient finite element model is analyzed based on hinge model， seal model and refining welding spot model. The Miner's linear fatigue damage accumulation rule was used to predict the fatigue life of door through opening and closing model， then risk areas were identified. Considering the fatigue simulation result， an optimization structure is presented and then fatigue life predicted. The durability opening-closing door test proves the validity of the fatigue analysis and optimization. A fatigue life analysis method for welding spot crack in door opening-closing durability test is presented， problems are found exactly and solved quickly during development period， which greatly shorten the cycle and save the cost of development. The proposed method has a significant reference.

Keywords： Car door; Welding spot; Fatigue crack; Durability simulation

前言

车门是汽车的重要组成部分，具有保持人员进出、形成密闭空间、提高结构防撞性等功能。同时作为使用频率较高的开闭件而言[1]，在实际使用过程中，车门作为驾驶员和乘员出入车辆的通道[2]，由于反复开关，会发生疲劳破坏等问题，因此，在汽车设计开发过程中，汽车开闭耐久性能已然成为评价汽车品质好坏的重要指标[3]。通常，车门开闭耐久性能是通过车门开关耐久试验来评估的，但耐久试验耗时长，费用高，因此，仿真分析成为汽车车门开闭耐久开发过程中不可或缺的部分。

钱银超等[4]针对车门开闭耐久试验中，玻璃升降器安装区域钣金开裂问题，采用Abaqus/Explicit求解器计算关门的冲击应力时间历程，运用疲劳仿真的方法预测钣金的危险区域及寿命，同时提出了优化方案并经过了试验验证。蒋凌山等[2]针对车门三角窗切口处钣金开裂问题，通过建立关门有限元模型，进行疲劳寿命预测，提出结构优化方案，并通过车门开关疲劳试验验证。邢志伟等[5]通过非线性显示求解，进行某微型客车门关闭的碰撞分析模拟，对瞬态应力结果使用局部应力应变法分析疲劳损伤分布，并对车门内板等危险位置，进行相应的优化提高车门的使用寿命。

國内汽车厂家都将车门的开闭耐久性能试验作为汽车开发过程中的一个必要环节[6]。大多数选择10万次作为试验的标准次数，即开门、关门各10万次[7]。之前的仿真研究主要集中在车门开闭耐久试验中的关门分析上，而忽略车门过开对车门的损伤，同时，研究的问题大多只是针对钣金开裂，也具有一定的局限性。本研究针对开发阶段，样车车门开闭件耐久试验中，出现的焊点疲劳开裂的问题，提出了一套解决车门焊点开裂的疲劳仿真流程，如图1所示，即通过非线性瞬态和疲劳软件联合仿真，在同时考虑车门关闭及车门过开工况的影响下，建立详细车门疲劳仿真分析模型，包括详细车门铰链建模，密封条及锁参数建模，完整的车门附件及内饰建模，以及焊点细化建模等。该流程能够较为准确的进行焊点疲劳寿命预测，解决车门开闭耐久试验中出现的开裂问题。

1 车门焊点疲劳开裂分析

随着汽车轻量化技术的迅速发展，对车门钣金减重也提出了更高的要求。结合实际的开发经验，随着钣金件的轻量化，在耐久试验中经常会发生钣金焊点开裂的现象。某车型样车开发阶段，在车门开闭耐久试验中，车门内板出现焊点开裂现象。通过观察实际开裂图片可知，焊点开裂的位置分别位于，铰链上部三角窗附近（位置1），以及防撞板下端靠近B柱附近（位置2），如图2所示：

2 疲劳耐久仿真分析优化

2.1 非线性瞬态有限元

根据车门开闭件耐久试验，建立详细车门瞬态分析有限元模型，包括关门模型和门过开模型，模型的边界条件分别如图3所示。有限元模型的精度是影响疲劳寿命分析的重要因素，因此需要准确定义模型的边界条件及关键部件的建模参数。关门模型中，车门处于关闭位置，约束车身侧铰链，给车门施加一个绕铰链旋转的关门速度，大小为1.5m/s，关门速度的测量点位于锁扣对应车门外板，且沿垂直于铰链旋转轴方向外延50mm处。车门过开模型中，车门处于最大开启位置，给车门施加一个绕铰链旋转的开门速度，大小为0.5m/s。

车门关闭过程包括车门绕铰链轴旋转、密封条接触、门锁系统锁止、车门反复回弹等一系列过程[8]。在车门系统中，系统质量矩阵对结构响应起决定性作用，必须保证车门钣金、玻璃、内饰及附件等质量矩阵准确，其中附件质量分布如图4所示。

铰链在车门开闭过程中起到承载及旋转车门的功能，是一个重要的载荷作用件，其建模的准确性关系到车门的运动形态，局部模型如图5所示，详细定义各个板件间的接触，并通过Beam单元来模拟铰链螺栓来连接。

门锁作为车门关闭时的主要缓冲模块，在车门关闭时所提供的力特性曲线是否准确，是车门耐久仿真分析的重要影响因素。锁模块局部建模如图6所示，锁钩与锁扣之间的接触通过Connector单元模拟，锁参数力特性曲线如图7所示。

密封条作为车门总成上的关键零件，包括车门内圈密封条，车门外圈密封条，以及玻璃密封条等。在车门开闭耐久试验时，具有一定的缓冲作用。车门密封条主要由软硬橡胶材料构成，具有高度的非线性特性[8]。密封条的建模通过Connector单元模拟，其中某段外圈密封条的材料特性曲线如图8所示。

针对焊点疲劳开裂问题，根据工程经验对所关注的危险区域，建立焊点细化模型。关注区域零件单元的网格尺寸为2mm，针对焊点建立FEMFAT SPOT类型焊点[9]，焊点形式如图9所示，焊点的板壳单元间以Bar单元连接，对焊点进行疲劳仿真分析。

车门开闭有限元模型包括完整的前门总成及部分白车身，分别建立关门模型及过开模型，如图10所示，进行Abaqus非线性瞬态分析其中，整个模型节点数为206893，单元数为159280。车门过开模型与车门关闭模型类似，将车门绕铰链轴旋转到最大开启位置，由于铰链和限位器的作用，车门会在最大开启位置反复回弹，因此过开模型中不需要考虑门密封条接触及门锁系统锁止的模拟。

2.2 疲劳损伤理论

2.2.1 Miner线性累积损伤理论

为了准确的估算车门在开闭耐久试验中的疲劳损伤，采用Miner线性累积损伤理论[10-11]。该理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的反复作用并且不断累积造成的;损伤与循环次数成正比，疲劳损伤累积达到破坏时吸收的能量与载荷作用的先后顺序无关，仅由损伤的线性累加决定[2， 9]。

假设材料在失效前吸收的能量限值为E，失效前的总循环数是N，而在某一循环数时吸收的能量为E1，材料吸收的能量与其循环数n1存在正比关系：

则在第i个应力水平级别下分别对应Ni次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：

2.2.2 Haigh图

不同的载荷类型，对疲劳强度是有影响的。如脉冲载荷，循环对称载荷等得到的SN曲线是不同的。主要的差别体现在平均应力上，即不同的平均应力对应于不同的S-N曲线。为了考虑平均应力对SN曲线的影响，最典型的做法是通过Haigh图进行平均应力的修正，如下图：

其中，横坐标为平均应力，纵坐标为应力幅值。1点为抗拉强度，4点为脉冲载荷下（R= 0）的S-N曲线对应的疲劳应力极限，5点为循环对称载荷下（R= -1）的疲劳应力极限，2点和3点是5点与4点连线与屈服强度延长线的交点，6点7点为5点与4点连线与屈服强度延长线的交点。

2.2.3 Neuber法则

在确定塑性变形过程中的局部缺口应力和应变时，Neuber法则应用最为广泛。为了计算效率和建模考虑，会将模型进行弹性简化分析，此时有可能会出现应力极值，该极值导致在S-N曲线上极大的损伤值，而实际情况由于材料的塑性行为，这种应力极值并不会出现。为了避免这种情况引起的计算误差，应用Neuber法则将弹性应力等效到塑性曲线上，如图12所示。Nerber法则可以通过下面局部塑性屈服方程表示：

2.3 疲劳分析与优化

在有限元非线性瞬态分析的结果上，针对上述关门、过开两个模型，应用Haigh平均应力修正图及Neuber等效塑性假设，结合Miner线性累积损伤理论进行疲劳寿命分析。其中，在关门模型中，某时刻应力结果如图13所示，在风险区域内，应力最大的焊点位置与试验中开裂一致，而且试验中未开裂的焊点其应力值也远低于开裂的焊点，没有开裂风险;应力最大的焊点瞬态应力见图14。

模型评估的是开关门最终时刻的整体运动趋势，图15是关门模型能量变化图。在最终时刻车门闭合，门锁完成锁止，挤压密封条，系统处于整体振动并趋于平稳。总能量在理论上为常数，但实际模型中有较小的波动，一般在5%左右可以接受。从图15中可以发现，系统总能量基本恒定，动能与内能相互转化，耗散能单调增加。从能量变化图中，考虑到模型的稳定性及疲劳计算的效率，取t=0.03时刻内的瞬态变化进行疲劳求解。

根据式（2）计算车门开闭模型中，焊点的疲劳损伤总和，换算成疲劳寿命，如图16所示。在风险区域中，焊点1和焊点2的疲劳寿命最低，分别为7.8万次和4.3万次，不满足车门开闭耐久试验中10万次的要求，仿真中有风险的焊点位置与与实际疲劳开裂的位置（图2）一致。

在此基础上对方案进行优化，对于焊点1进行局部型面优化，加强局部刚度，同时再增加一个焊点，如图17所示;对于焊点2，增大局部截面，增大焊点之间的间距，增加连接范围，另外，此处还增加一个加强件，进一步增加了局部刚度，如图18所示。

针对优化后的数据状态，更新有限元模型，得到优化方案的应力分析结果;在此基础上，分别对关门模型及過开模型进行疲劳仿真分析，并应用式（2）统计总的疲劳结果，如图19所示。由图可知，焊点1和2的疲劳寿命分别为61.7万次和85.6万次，得到明显改善，达到10万次的要求。

3 车门开闭耐久试验验证

将上述优化方案做进下一轮样车当中，进行车门开闭耐

久性试验评价，经过10万次车门开闭后，车门焊点没有发生开裂现象，与仿真结果吻合。进一步验证了本研究提出的疲劳仿真分析流程的有效性。

4 结论

以某车型的车门开闭耐久疲劳仿真开发为例，建立车门总成及车身的瞬态有限元模型，包括关门模型及过开模型，通过对铰链连接、密封条连接及焊点连接进行详细建模，进行车门开闭耐久仿真分析，找到车门结构设计的危险点，在此基础上进行结构优化及疲劳寿命預测，最终通过试验验证了优化方案的有效性。

结果表明，由此提出的针对车门开闭耐久试验的疲劳优化方法，在产品设计阶段进行耐久仿真分析和优化，可以准确地发现问题并快速地解决问题，能够有效地指导结构设计，提高设计质量，缩短开发周期，节省开发费用，具有一定的工程实用价值。

参考文献

[1] 冯长凯，王俊，盛守增.基于有限元的车门开闭耐久仿真分析[J].汽车零部件，2016，（05）：54-56.

[2] 蒋凌山，龙岩，刘雪强，熊海林.车门疲劳寿命预测及结构改进[C]//北京：中国汽车工程学会年会论文集，2018：1933-1938.