基于瞬态响应的SUV后背门开闭疲劳有限元分析及优化设计

张岩,卢生林,王娅

(奇瑞汽车股份有限公司，试验和整车工程中心，安徽省汽车NVH与可靠性重点实验室,安徽芜湖 241009)

0 引言

由于机械构件在运行条件复杂、环境恶劣、长期的复杂载荷下容易产生疲劳损伤与缺陷，使其在没有发生明显塑性变形的情况下发生疲劳断裂，因此在机械装备运行中易导致恶性事故发生，尤其在航空航天、铁路运输、船舶、汽车、桥梁等关系到国计民生的重要领域[1]，统计资料也显示近年来重大装备与结构系统的断裂失效事件相继发生，80%～90%的结构失效是由疲劳破坏引起的[2-3]。

汽车的后背门是车身重要的系统之一，后背门除了要满足汽车造型的需要，更要满足作为开启件的功能要求。日常使用时，需要经常拿取物品，导致后背门的开闭频率较高。另外，由于使用时条件较为恶劣、开闭后背门的速度较大、设计不合理等因素的影响，导致后背门的疲劳破坏。目前，解决后背门耐久性能问题的有限元分析方法，主要依赖于静强度分析，通过特定典型工况下，其最大应力是否超过屈服极限来判断。这种方法不能完全预测疲劳失效风险和焊点的失效，局限性较强。

本文作者旨在解决并优化某SUV车型的后背门在开闭耐久性能试验焊点失效问题，建立了一种基于瞬态响应分析的后背门疲劳有限元分析方法。有限元分析结果成功复现了耐久性能试验中的开裂问题，通过对开裂方案的传力路径分析，获得优化方案，优化方案最终通过有限元分析与后续耐久试验的验证。因此，疲劳仿真结果与开闭耐久性能试验之间存在较好的相关性。

1 后背门开闭耐久试验

1.1 后背门开闭耐久试验介绍

汽车在上市前，都要通过后背门开闭耐久性能试验的验证，试验的主要过程是在后背门完全开启的状态下，对后背门施加初始速度，在后背门完全关闭的同时，锁机构也能完全处于锁死的状态，以此过程作为一个完整的循环，经过规定的若干循环后，如果后背门不出现疲劳耐久问题，就认为后背门开闭耐久性能满足要求。后背门的开闭耐久性能要求，一般是模拟十年的使用寿命，对于后背门耐久性能试验开闭的目标次数，不同的公司有着不同的标准，一般推荐后背门的耐久性能试验开闭次数以30 000次为目标[4]。

1.2 后背门开闭耐久性能试验

某SUV车型后背门开闭耐久性能试验工装图如图1所示。

图1 后背门耐久开闭性能试验工装图

完成30 000次试验后，检查发现后背门锁加强板与内板搭接处的两个焊点开裂。两个开裂焊点的位置如图2所示。

图2 锁安装点处两个焊点开裂

2 有限元分析理论及流程

2.1 瞬态动力学分析理论

瞬态动力学分析(也称时间历程分析)用于确定结构承受随时间变化载荷作用的动力学响应[5]。瞬态动力学分析包括瞬态响应分析和固有特征分析。在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下，应用瞬态动力学分析方法可以确定结构随时间变化的位移、应变、应力及力等参数。瞬态响应分析属于动力学的分析范畴，与静力分析有着本质区别，动力学分析需要考虑随时间变化的载荷以及阻尼和惯性的影响[6]。当阻尼和惯性对分析结果影响非常小时，才可以采用静力分析。

2.2 疲劳分析理论

疲劳是零部件在循环载荷作用下，局部损伤产生的过程。累积损伤法则的疲劳寿命预测分析，是指当应力高于材料的疲劳极限时，每一次循环载荷都会对其产生损伤，且不可逆、可累计，当总损伤累积到一定的临界值时，疲劳破坏就会产生。在汽车领域中，特别是汽车的结构，疲劳损伤累积的方法被广泛地应用。

2.2.1 基于名义结构应力的焊点疲劳寿命预测模型

文中计算焊点疲劳寿命采用名义结构应力法，因为名义结构应力法不需要建立精细的焊点模型，只需要通过焊点焊核横截面的力和力矩以及薄膜和梁理论计算出局部的结构应力，不需要对焊点网格进行细化，具有较好的经济性和准确性。文中计算焊点疲劳寿命所采用的名义结构应力法基于NAKAHARA[7]在2000年提出了一种基于名义结构应力来评估焊点寿命的方法，采用理论公式计算得到的应力，与采用精细化有限模型计算得到的应力保持了较好的一致性，相比于最早RUPP[8]采用名义结构应力法引入了约束直径D的概念，根据不同的受力结构类型与分析经验确定合理的约束直径D也是至关重要的，最后再结合试验所获得的焊点样件的S-N曲线，就能得到焊点的疲劳寿命，并且与试验取得了较好的相关性。在直角坐标系和球面坐标系下焊点的焊核受力示意图如图3所示。

图3 焊点模型

2.2.2 线性疲劳损伤累积理论

疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程。这是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果[9]。线性疲劳损伤累积理论在工程领域得到最广泛的应用，这种理论认为：“材料的疲劳损伤在不同级别的应力下，是独立进行的，不同级别的损伤通过线性叠加的方式，最后得到总的损伤”，其中最有代表性的是Miner疲劳损伤累积理论。当零件的应力水平高于对应材料的疲劳极限时，一个循环下造成的损伤是1/N,则n次恒幅载荷下所造成的损伤为n/N。变幅载荷下的计算疲劳损伤累计的公式为：

(1)

式中：i为变幅载荷的应力水平级数，ni为第i级载荷的循环次数，Ni为第i级载荷下的疲劳寿命。

当总损伤值累积到临界值D=1时，疲劳破坏产生[10]。

3 后背门有限元建模和仿真分析

3.1 有限元模型建立

截取模型应包括整个后背门、D柱以及相关关键件，如图4所示。约束车身截取节点，后背门施加重力场。

图4 车身及后背门有限元模型

3.1.1 密封条的简化及模拟

密封条的内部结构非常复杂，所以在仿真过程中，要进行适当的简化。密封圈与后背门钣金接触部位采用刚体面模拟。密封圈的刚度以一定数量的弹簧单元模拟，弹簧单元均布在密封条的安装位置上，弹簧刚度由试验测得。此类方法建模简单、计算效率高，且弹簧刚度由试验测得，可与实际密封圈的刚度保持较好的相关性。简化的密封条模型如图5所示。

图5 简化的密封条模型

弹簧单元赋予密封条刚度曲线，由密封条刚度试验确定，试验测得密封条刚度曲线数据(两组数据)如图6所示。

图6 试验测得密封条刚度曲线

3.1.2 锁机构的简化及模拟

建立背板、盖板、锁钩和棘爪等零件的精细化有限元模型，这种模拟方法不仅能够准确地模拟锁机构的锁死状态，还能反映出锁钩在冲击力的作用下，锁机构锁死后锁钩在锁舌和棘爪间的振荡，此过程更加接近实际过程，能更准确地反映锁机构附近的真实应力。扭转弹簧的刚度由试验测得。简化的锁机构有限元模型如图7所示。

图7 简化的锁机构有限元模型

3.1.3 缓冲块的简化及模拟

缓冲块的模拟方法与密封条类似，采用弹簧单元刚体面来模拟。弹簧单元通过刚性RBE2单元与缓冲块安装孔相连。缓冲块实际结构与简化模型如图8所示。其中弹簧单元刚度曲线采用试验测试的刚度曲线，试验测得缓冲块刚度曲线如图9所示。

图8 缓冲块实际结构与简化模型

图9 试验测得缓冲块刚度曲线

3.2 瞬态响应分析和疲劳仿真分析

瞬态响应分析采用ABAQUS/EXPLICIT作为求解器，同时考虑几何非线性、材料非线性、边界非线性条件的影响，最终得到后背门在时间历程下的瞬态应力结果。

FEMFAT软件中的TRANSMAX模块软件中，运用雨流计数法，并根据焊点的S-N曲线和Miner线性疲劳损伤累积理论，对后背门进行疲劳分析。由公式(1)可知，疲劳损伤定义为疲劳寿命的倒数，一般认为疲劳损伤D>1，发生疲劳破坏。

后背门损伤云图如图10所示。其中在后背门开闭耐久试验失效的两个焊点1#和2#焊点的损伤值分别为9.54 >1和9.48>1，均大于目标值，如图10所示。疲劳仿真结果与耐久试验结果取得了较好的相关性。

图10 1#焊点和2#焊点损伤值

4 优化方案分析及试验结果

4.1 失效原因分析

极限位置时，锁机构冲击锁钩，锁钩给予锁机构的反向冲击方向沿锁机构向后背门内板及锁加强板传递，传力路径如图11中白色箭头所示。

图11 向下极限位置时力的传力路径

由于锁机构与后背门内板存在一定夹角，所以冲击力传递到焊点上的力可分解为焊点的拉压力和剪切力，如图11中黑色箭头所示，所以开裂焊点既受拉压力作用，也受剪切力作用，所以优化方案以此为切入点，进行优化改进。

4.2 优化方案及疲劳分析结果

将锁加强板沿着内板方向向下延伸，锁加强板延伸部分与内板采用长度为160 mm的结构胶相连(由于焊接工艺原因此处不能用焊点连接)。结构胶的强度较高，能承受较大荷载，抗老化、抗疲劳、抗腐蚀能力强，在使用寿命内性能较为稳定，适用于承受较大载荷的结构件黏接的胶黏剂，在车身上对于焊点或者焊缝不能连接部位，可以使用结构胶代替焊点或者焊缝连接，也能起到增加结构局部强度的目的。优化方案示意图如图12所示。优点在于，可以将锁机构传递到内板和锁加强板上的冲击力，通过锁加强板翻边的延伸部分向下传导，并通过锁加强板与内板上的结构胶连接，传递到内板上，起到了冲击力的分流作用，大大减轻4个焊点的承载负担。

图12 优化方案

最终分析得到优化方案的疲劳损伤结果，损伤云图如图13所示。由疲劳结果可知，由于力通过翻边的延伸部分向下传导，导致钣金本体最大损伤位置下移到6#位置处，但损伤为0.48<1，满足要求；1#焊点损伤值为0.03、2#焊点损伤值为0.03、4#焊点损伤值为0.07、5#焊点损伤值为0.14，4个焊点损伤值均小于目标值，满足要求。

图13 优化方案疲劳损伤云图

4.3 优化方案开闭耐久试验结果

对锁加强板冲压模具进行重新开发，最终得到与优化方案CAD数据一致的样车后背门，然后依据后背门开闭耐久性能试验的试验规范对优化方案的数据状态的后背门进行开闭耐久性能试验。经过30 000次的开闭耐久循环后，最终优化方案数据状态的后背门试验结果显示，背门锁加强板与内板搭接处的4个焊点均未失效，与疲劳仿真分析结果一致。试验后的锁加强板位置处焊点状态如图14所示。

图14 试验后优化方案4个焊点均未开裂

5 结论

文中结合实际工程问题，将理论推导、理论方法选择、仿真分析和试验验证相结合，以某SUV车型的后背门的焊点在开闭耐久性能试验中开裂为研究对象，针对动态接触零件与机构选择合适的有限元简化和模拟方法，并对后背门有限元模型进行瞬态响应分析，得到后背门在关闭过程中的瞬态应力时间历程。采用名义结构应力法对焊点进行疲劳寿命分析，疲劳分析结果显示，在耐久试验中开裂的两个焊点的损伤值，均超过目标值。通过对开裂方案的传力路径分析，获得优化方案并进行疲劳分析，结果显示优化方案中各焊点的疲劳损伤值均小于目标值，并通过了后续开闭耐久性能试验的验证。

因此，文中基于瞬态响应分析的后背门开闭疲劳有限元分析结果与开闭耐久性能试验之间存在较好的相关性，证明该仿真方法可以在产品设计阶段有效评估和预测后背门的开闭疲劳寿命，不但可以在早期规避结构耐久风险，也可以降低研发成本，缩短产品开发周期。