車門開閉耐久焊點開裂的分析及對策研究

李訪，路小東，胡冬青，蔣明濤，劉立群，陳東

(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

在汽車的使用過程中，車門作為乘客進出的唯一通道，使用非常頻繁，其安全性和耐久性能極其關鍵。為模擬乘客上下車使用車門的工況，各個主機廠都制定了車門耐久的試驗標準和性能目標。在新車型研發過程中，一方面，通過有限元法，進行CAE分析其耐久性能；另一方面，通過樣車進行車門耐久試驗，確保其耐久性能符合公司相關標準。

本文作者以某車型項目為基礎，利用有限元法對車門開閉耐久試驗進行了模擬，分析其耐久性能，并對結構進行了優化設計。針對車門在耐久試驗中出現焊點開裂的問題，分析其焊點開裂的原因，并提出3種優化方案，最終選擇一種最優方案，通過驗證確認滿足車門耐久性能目標。通過該問題的解決，總結了汽車車門結構設計和焊點布置的若干經驗，建立和完善開閉耐久工況下焊點疲勞壽命的分析方法和標準，對后續項目車門研發具有非常重要的指導和借鑒意義。

1 問題描述

某車型車門耐久性能目標為N萬次，而在試制階段開閉耐久試驗中，左前門試驗0.7*N萬次后，車門窗框與內板搭接處出現焊點開裂， 右前門試驗0.9*N萬次后，對稱位置焊點也出現裂紋，試驗車輛未達成設定的耐久性能目標。焊點開裂問題現狀如圖1所示。

圖1 焊點開裂問題現狀

2 原因分析

2.1 焊點方面

在試驗前已進行車門鈑金焊點檢測，該處焊點外觀正常，無虛焊、燒穿、咬邊、扭曲、凹痕過深等不良現象，采用超聲波設備檢測，該處焊點焊核直徑如表1所示，左、右前門焊點均滿足公司相關標準。

表1 開裂焊點的焊核直徑

2.2 試驗工況

此次試驗處于軟模試制階段，試驗車輛基本滿足該階段試驗要求，試驗場地、設備，以及試驗方法均正常無誤，試驗結果可靠有效。因此，初步分析焊點開裂的原因為：窗框與內板搭接局部連接強度不足，以及焊點應力集中導致耐久后開裂。

2.3 CAE分析

2.3.1 建立有限元模型

以車門及周邊件為研究對象，搭建有限元模型，如圖2所示。

圖2 搭建有限元模型

該模型包括車身結構模型，車門鈑金及其附件模型(附件如玻璃及升降器，密封條及內外水切，鎖及鎖環，緩沖塊等)，以及焊點模型。尤其是焊點模型，在NASTRAN軟件中, 焊點可由多種不同的單元類型來模擬。由于涉及到焊點疲勞壽命的計算，采用FEMFAT焊點模型，用這些焊點單元傳遞的力和力矩來計算結構應力, 此應力為圍繞焊點熔核和連接板的局部應力。再利用ncode分析軟件，按照S-N疲勞壽命分析方法, 用這些結構應力預測焊點的疲勞壽命。在進行模擬仿真時，以車身為固定部分，車門為活動部分，車門在指定位置以某一初速度繞鉸鏈軸旋轉模擬關門工況，同時，還需根據試驗標準模擬玻璃全閉/半開/全開等不同工況。

2.3.2 CAE分析結果

根據CAE分析模擬，在整個關門過程中，前門鈑金該處焊點周圈內板最大應力為153.2 MPa，前門開閉耐久壽命最終結果如圖3所示，該處焊點最小壽命為4.5萬次，不滿足N萬次耐久要求。

圖3 前門開閉耐久分析結果

根據上述分析過程，該處焊點質量和試驗工況均滿足試驗要求，主要原因可能是以下兩個方面：

(1)此區域焊點布置不合理，導致該處焊點周圈應力偏大，在耐久時疲勞失效；

(2)此區域結構強度偏弱，無法滿足耐久試驗性能要求，需進行結構優化。

3 制定對策

3.1 優化方案

根據上述原因解析，結合目前數據結構和模具進展(窗框內外板已開硬膜，車門內板和鎖加強板均為軟模)，提出3個優化方案，如圖4所示。

原方案：此處布置有兩層焊點1個(⑤號為窗框內外板預焊焊點)，三層焊點5個；

方案1：焊點優化，不改零件：③號改為兩層焊點，⑤號改為三層焊點，使⑤號焊點分散⑥號焊點的局部應力，提高焊點疲勞壽命；

方案2：鎖加強板優化，窗框內外板局部修模，同時調整焊點布置；

方案3：窗框結構優化，窗框內外板增加翻邊和焊點，窗框內外板需重開模具。

圖4 焊點開裂原方案及優化方案

3.2 CAE分析結果

根據優化方案，重新調整有限元模型，得出相應的分析結果如圖5所示，對比分析如表2所示。

圖5 各方案CAE分析結果

表2 各方案焊點壽命對比分析

3.3 確定方案

根據上述優化方案分析結果，結合當前數據結構以及模具進展，對比分析如表3所示。經綜合評價，最終選定成本較低的方案2為對策方案，在下批次樣車進行驗證。

表3 各方案綜合對比分析

4 方案驗證

按照前述方案2進行樣車試制和準備，并搭載第二輪車門開閉耐久試驗，經過N次耐久試驗后，車門鈑金及焊點均無開裂現象，耐久性能滿足公司標準，方案2驗證可行，耐久后現狀如圖6所示。

圖6 方案2耐久試驗后現狀

5 結論

針對車門窗框焊點開裂的問題，提出了3種優化方案，通過對比3種優化方案和分析結果，可以得出如下結論：

(1)在結構不做變更的前提下，焊點局部區域追加焊點，增加連接強度，分散焊點應力，可以有效降低該區域焊點應力和提高焊點疲勞壽命；

(2)在局部結構強度偏弱的情況下，有時僅僅增加焊點并不能完全解決問題，需要提升局部結構強度，同時優化焊點布置，才能有效降低該區域焊點應力和提高焊點疲勞壽命；

(3)通過分析對比，方案3疲勞壽命明顯優于方案2。當車門關閉時窗框會發生振動，而窗框搭接處的焊點受力主要為垂直于玻璃的方向，此時焊點受焊接面切向剪切力比受法向力更有利于焊點的疲勞壽命。

綜上所述，在設計過程中，零件和焊點的耐久性能是可以通過合理的結構設計以及焊點布置來保障的，前期根據開閉耐久工況下焊點疲勞壽命的有限元分析方法進行CAE分析，可以盡早預判，很好地避免后期試驗出現問題，真正做到節能增效。通過該問題的解決，總結了汽車車門結構設計和焊點布置的若干經驗，建立和完善開閉耐久工況下焊點疲勞壽命的分析方法和標準，對后續項目車門研發具有非常重要的指導和借鑒意義。