车门开闭耐久仿真分析研究及结构优化

2021-05-26胡冬青周德生刘向征喻赛范建军

汽车实用技术 2021年9期

胡冬青，周德生，刘向征，喻赛，范建军

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434）

前言

车门是汽车的重要组成部分，在日常使用中反复开关车门，局部区域所受应力虽未达到材料的屈服极限，但仍可能出现疲劳裂纹进而断裂，导致异响、生锈和漏水等问题。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[1]。通常，车门开闭耐久性能主要通过车门开关耐久台架试验来评估的。但在项目开发前期，无试验样车；项目开发后期，若台架试验出现开裂问题，需修改结构并重新试验，这直接影响项目开发周期和产生大量的试验费用。仿真分析能够在项目开发前期介入，预测结构设计的风险位置并提出优化方案，大幅缩短试验周期、试错频率和费用。

本文以某车型后门为研究对象，通过非线性瞬态软件Abaqus/Explicit和Ncode疲劳软件联合仿真，验证玻璃升降安装区域钣金开裂问题。并对开裂区域结构进行优化设计，经试验验证优化方案的可行性和分析方法的准确性，为后续项目开发提供参考和分析方法。

1 非线性动力学及疲劳损伤累积理论

1.1 非线性动力学理论

车门开关的实质是一个有阻尼多自由度系统的动力学问题[2]，包括材料非线性、几何非线性和边界非线性。

为了得到车门关闭时与车身撞击过程结构动力学响应，使用Abaqus/Explicit软件进行瞬态动力学分析[1]，瞬态动力学分析求解的运动有限元方程为：

其中，M为集中质量矩阵，C为集中阻尼矩阵，K为刚度矩阵，为节点加速度向量，为节点速度向量，u为节点位移向量，P为节点外力向量，F为节点内力向量。

1.2 Miner累积损伤理论

目前，工程中应用最为广泛的疲劳分析理论是Miner 累积损伤理论[3]。该理论认为试样的疲劳破坏是由于循环载荷的反复作用下累积造成的，且与载荷的作用顺序无关[4-6]。

假设试样所吸收的能量达到极限值W时发生疲劳破坏，对应试样破坏前的总循环次数为N，且认为试样在循环数n作用下，与其吸收的能量w之间存在正比关系，即：

若试样在l个不同应力水平σi作用下，疲劳寿命依次为N1，N2，...，Nl，循环次数依次为n1，n2，...，nl，而每个应力水平均产生一个对应的损伤，其总损伤为：

当总损伤=1时，试样吸收的能量达到极限值W，发生疲劳破坏。

1.3 局部应变寿命法

局部应变寿命法（E-N方法）应用了材料的“记忆特性”，该方法考虑了载荷循环顺序对寿命的影响，从而寿命预测结果与实际情况更加吻合。局部应力应变法适用于解决高应变低周疲劳问题。

Morrow 认为疲劳寿命与弹性应变和塑性应变均有影响。因此弹性应变和塑性应变之和的寿命曲线可用Coffin- Manson-Basquin方程式来描述[7]：

式中：ε为总应变幅；εe为弹性应变；εp为弹性应变；σ'f为疲劳强度系数；2Nf为反向计数的疲劳寿命；E为弹性模量；ε'f为疲劳延性系数；b为疲劳强度指数；c为疲劳延性指数。

2 疲劳分析流程

本文研究用于项目开发阶段，利用CAE手段对样车开闭耐久试验的疲劳寿命预测。利用冲击强度的瞬态动力学分析和Ncode 疲劳软件联合仿真，建立了详细的车门冲击强度有限元分析模型，包括详细的缓冲块、密封条和锁参数建模，并对玻璃全开、半开、全闭状态的组合进行了模拟以及详细完整的车门附件建模。

车门开闭耐久分析一般流程如图1 所示。首先，利用Abaqus/Explicit求解器进行冲击强度的瞬态动力学分析，获得各单元时域下的冲击应力；然后在Ncode软件中基于各单元时域下的冲击应力及结合冲击时间历程，预测车门结构设计的危险区域。

图1 车门开闭耐久分析流程

3 车门仿真分析及优化

3.1 有限元模型

为准确模拟车门开闭耐久试验中各零件之间的运动，需建立详细的车门有限元模型；同时需考虑玻璃状态对钣金寿命的影响，试验时玻璃状态为玻璃全开、半开、全闭状态。

整备车门总成模型需包括门钣金、门饰板、门锁系统、玻璃和玻璃升降器系统、扬声器、缓冲块和密封条系统。门钣金、玻璃和玻璃导轨采用基本尺寸6mm壳单元模拟，扬声器、门把手、亮条和门饰板采用集中质量Mass单元模拟，并用RBE3单元与车门安装孔相连，分析模型如图2所示。

白车身采用柔性车身，车门通过铰链安装在车身上，并绕着铰链轴以1.5m/s旋转关闭，车门与密封条、缓冲块接触，锁扣卡入门锁棘轮，门锁棘轮与止动爪反复啮合，此时车门各部件反复回弹直至静止[8]。

图2 分析模型

密封条、门锁和缓冲块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学特性曲线是否准确，是车门耐久仿真分析的重要影响因素[9]。

3.1.1 密封条模拟

密封条包括头道胶条、二道胶条、分缝胶条、水切胶条和玻璃胶条等。

密封条在车门关闭过程中起到至关重要的缓冲作用，其刚度直接影响车门动能转换为泡管形变能以及关门顺畅和声品质等，尤其对窗框振动频率和振幅有很大影响。

头道胶条、二道胶条、分缝胶条采用CONN3D2单元模拟，连接类型为AXIAL，其刚度由实测确定，二道密封胶条压缩示意图和压缩负荷曲线如图3、4所示。

图3 二道密封条压缩示意图

水切胶条和玻璃胶条采用CONN3D2单元模拟，连接类型为CARTESIAN和CARDAN组合，并赋予X、Y、Z方向刚度，其刚度由实测确定。

图4 二道密封条压缩负荷曲线示意图

针对关门速度较大时，需要测量全行程下的密封条压缩负荷曲线。

3.1.2 锁机构模拟

车门在关闭过程中，锁舌冲击锁扣，带动棘轮转动，最终锁扣冲击过行程缓冲块。当过行程缓冲块压缩一定程度后，车门回弹，门锁棘轮与止动爪反复啮合，车门各部件反复回弹震荡并最终锁止。过行程缓冲块、棘轮和止动爪弹簧/扭簧的刚度在关门过程中，对车门动能的吸收、震荡和过行程的位置起至关重要的作用，锁体结构如图5所示。

图5 锁体结构示意图

为准确模拟门锁的锁止，反映车门动能转化为内能以及门锁上锁时车门的震荡过程，需将门锁系统详细建模，由其自行判断锁止点和时间。门锁壳体用壳体单元模拟；锁扣、棘轮和止动爪采用实体刚体单元模拟；扭簧采用CONN3D2单元模拟，连接类型为HINGE，扭簧刚度参数由实测确定，如表1所示；橡胶缓冲块采用CONN3D2单元模拟，连接类型为TRANSLATOR，其参数示意图如图所示，门锁机构有限元模型如图6所示。