車門開閉耐久焊點失效優化分析研究

周麗杰

摘 要：門開閉耐久軟膜試驗階段，出現車門下防撞梁焊點失效。基于試驗數據，修正車門開閉耐久仿真模型，進行對標分析研究，提高仿真精度，提出切實可行的優化方案，提升車門開閉耐久性。

關鍵詞：開閉耐久;焊點失效;對標分析;優化

0 引言

車門作為駕駛人和乘員出入車輛的通道，并隔絕車外干擾，保護乘員等作用，需要承受經常開關車門的動態沖擊載荷作用。

一輛非營運載客車輛在15年的使用年限內開關車門的總次數大約為：15×365×12（每天開關車門次數）=65700次[1]。對于營運載客車輛，以使用頻率較高的右后車門為例，計算一輛出租車在8年的使用年限內開關右后門的總次數大致為：8×365×47.2（對5輛出租車連續45天的運行情況進行了車門使用頻率統計的平均每天使用頻率）=137824[1]。另中華人民共和國汽車行業標準QC/T 323-2007《汽車門鎖和車門保持件》[2]中5.2.5開閉耐久試驗，規定用內開和外開方式各做5×104次往復開閉試驗，共計10萬次，多數主機廠用車門開閉耐久次數不小于10萬次作為設計目標。車門作為用戶操作最頻繁的總成之一，其開關操作耐久性是每個主機廠需要設計并驗證的性能之一，也是用戶直接體驗度很高的一項性能。

在實際使用過程中，由于車門的頻繁開關，可能會發生疲勞破壞，從而導致車門鈑金開裂、車門焊點開裂、車門鎖扣出現松動、車門玻璃升降異常、車門下垂干涉、車身側出現密封條磨痕、車門在關閉狀態下面差增大等問題，因此在汽車設計開發過程中，車門的開閉耐久性能已然成為評價汽車品質好壞的重要指標。

1 問題描述及分析

某車門在做開閉耐久試驗時下防撞梁焊點出現失效問題。其中車門開閉57000次時可見第1處焊點失效、開閉100000次時可見第2處焊點開裂，不滿足100000次目標要求，下防撞梁焊點失效如圖1所示。

車門頻繁開閉過程中，在車門鎖扣、鉸鏈和車身連接處產生沖擊疲勞或局部振動疲勞，在循環交變較高載荷作用下，破壞前的循環次數較少，小于1×105次，屬于低周疲勞。采用有限元方法在產品設計開發階段進行疲勞壽命預測，可以精確地發現問題并快速地解決問題，提高設計質量，縮短產品開發周期。

利用Lsdyna軟件建立了本文車門開閉耐久仿真分析模型，模擬車門開閉過程的顯示動態分析，再將仿真結果導入Ncode軟件分析車門及周圍車身鈑金、焊點的疲勞損傷分布，并與同期進行的試驗結果比對，進行對標分析研究，提高仿真精度，并對薄弱位置進行優化改進，以提高車門的耐久壽命。

2 車門開閉耐久仿真分析模型

車門的關閉過程包括車門繞鉸鏈軸旋轉、密封膠條及緩沖塊接觸、門鎖系統鎖止、車門反復回彈等一系列過程。車門關閉過程中受到的空氣阻力屬于多場耦合問題，本文暫未考慮空氣阻力影響。車門密封條作為車門總成上的關鍵零件，在車門關閉過程中起到一定的緩沖作用，吸收的能量約占總能量的8%，同時密封條具有高度非線性特性，無法精確模擬，利用減少8%的初始能量與其互補，繼而仿真模型車門的初始開啟角度可從4.4°降低為1.4°，大幅度降低仿真時間。

車門開關耐久試驗涉及玻璃全開、半開和全關、關閉速度1.2m/s、關閉速度1.5m/s等5種狀態。經仿真分析驗證，僅考慮玻璃關閉及關閉速度1.2m/s這種狀態，與5種狀態的車門總損傷相差1.09%，差異較小，將分析狀態精簡為此一種狀態，有效的縮短了建模及仿真分析時間。

本文中的車門結構為旋轉式車門，分析模型主要包含部分白車身、車門系統、鉸鏈系統、門鎖系統、玻璃系統等組成。車門質量對初始動能起決定性的作用，須保證車門有限元模型與真實情況一致，因此采用質量點的形式對車門裝配件等進行配重處理。

車門的門鎖機構通過棘輪和棘爪的相互嚙合來實現鎖止功能。開發初期，供應商無法提供鎖機構三維數據和性能參數，用非線性位移彈簧來模擬鎖機構。車門開閉耐久仿真分析模型見圖2。

3 車門開閉耐久仿真對標分析研究

車門下防撞梁與車門內板有4個焊點，車門開閉耐久試驗第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為1.75，第二損傷點為內側下部焊點，其損傷為1。車門開閉耐久仿真分析獲得下防撞梁焊點第一損傷點為外側下部，損傷為1.55，第二損傷點為內側上部，損傷為0.52。仿真與試驗相比，第一損傷點的位置不同、損傷值差異較大。以下對焊點類型影響、車門飾件影響、鎖機構影響進行分析研究，并優化提升車身下防撞梁焊點耐久性能，達到目標要求。

3.1 焊點類型影響的分析研究

Ncode軟件焊點疲勞分析，基于關鍵面法原理，計算不同角度變化情況下基材1、基材2以及焊核的應力時間歷程計算損傷值，所有情況下最大損傷值即為該點的焊點損傷值。三維六面體焊點單元類型需要先根據獲取的八個節點力和力矩，轉化為中間等效的一維單元。

車門下防撞梁位置焊點類型由三維六面體單元改為一維單元，仿真分析獲得第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為24.954，第二損傷點為外側下部焊點，其損傷為0.661。仿真與試驗第一損傷點位置已一致，但損傷差異較大，后續采用一維單元類型焊點繼續分析研究。一維焊點需要與上下基材垂直，不能像三維六面體焊點一樣批處理建模，操作不方便，適用于局部損傷大、關鍵位置的焊點。

3.2 內外飾影響的分析研究

車門質量及分布對初始動能、車門運動過程起決定性的作用。車門內飾質量占車門總成總質量的14%、車門后視鏡占車門總成總質量的4%、車門外下護板占車門總成總質量的5%，將以上三部分集中質量點用精確的有限元二維、三維模型模擬，研究對下防撞梁焊點損傷的影響。

3.2.1 車門內飾影響的分析研究

車門內飾用二維面網格替換集中質量點，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為14.354，第二損傷點為外側下部焊點，其損傷為0.668。車門內飾用高精度的二維面網格，內飾質量分布更加真實合理，提升了車門總成的整體強度，第一損傷點的損傷明顯降低，降低42%，建議車門內飾采用二維面網格模型。

3.2.2 車門后視鏡影響的分析研究

車門后視鏡用三維體網格替換集中質量點，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為14.785，第二損傷點為外側下部焊點，其損傷為0.607。車門后視鏡用三維體網格對第一損傷點的損傷影響較小，損傷差異3%，建議車門后視鏡采用質量點單元，可節省建模、仿真計算時間。

3.2.3 車門外下護板鏡影響的分析研究

車門外下護板用二維面網格替換集中質量點，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為18.343，第二損傷點為外側下部焊點，其損傷為0.550。車門外下飾板用高精度的二維面網格，外下飾板質量分布更加真實合理，第一損傷點的損傷增加24%，建議車門外下飾板采用二維面網格單元。

3.3 鎖機構影響的分析研究

棘輪、棘爪、鎖鉤以及橡膠塊采用實體單元模擬;門鎖殼體采用剛性單元模擬;扭轉彈簧等彈性元件采用彈簧單元模擬，門鎖機構有限元模型如圖3所示。該門鎖機構模型能更真實地模擬門鎖的鎖止行為，使車門動能與內能之間的轉化更趨平穩，克服了傳統連接單元瞬間鎖止導致瞬態應力過大的問題，并且無需定義鎖止點。鎖機構仿真模型見圖3。

車門鎖機構用二維面單元、三維體單元及彈簧單元替換純彈簧單元，仿真分析獲得下防撞梁第一損傷點為內側上部焊點，其損傷為1.662，第二損傷點為內側下部焊點，其損傷為0.555。車門鎖機構用有限元網格單元可真實模擬門鎖及車門的運動，第一、第二損傷點的位置均已與試驗一致，第一損傷點損傷與試驗差異5%，具有較高的精度，建議車門鎖機構采用有限元模型，并基于此研究狀態開展優化。各研究方案焊點疲勞損傷見圖4及表1。

4 車門開閉耐久焊點疲勞優化

車門開閉耐久試驗及仿真分析下防撞梁焊點損傷大于目標值1（對應的循環次數為10萬次），需要優化，綜合成本、周期、費用、工藝可行性，主要提出以下優化方案。

（1）方案1，下防撞梁焊點由4個增加到6個，焊點損傷從1.662降低為0.539，焊點耐久次數達到18.55萬次。

（2）方案2，在下防撞梁6個焊點的基礎上，增加一條長50mm、寬5mm的結構膠，焊點損傷從0.539降低為0.322，焊點耐久次數達到31.05萬次。

（3）方案3，更改下防撞梁端部結構，增加2個搭接面，下防撞梁與車門內板間焊點數量達到7個，焊點損傷從1.662降低為0.253，焊點耐久次數達到39.53萬次。各優化方案焊點損傷見圖5。

5 車門開閉耐久試驗

首次車門開閉耐久試驗已出現下防撞梁焊點失效問題，再次試驗前對基礎材料性能追溯、激光檢測焊核質量、同批次樣件焊點剝離力等確認和檢測。

第二次試驗為方案1，下防撞梁焊點由4個增加到6個，此方案幾乎無成本增加、可實施性強。下防撞梁內側上部焊點依然在5萬次疑似失效，通過探傷劑檢查確認失效。考慮此方案仿真分析焊點疲勞耐久性提升及可實時性強，采納了此方案，5萬次焊點失效探傷劑顯影見圖6。

第三次試驗為方案2，下防撞梁焊點由4個增加到6個、同時增加一條長50mm、寬5mm的結構膠。此方案需要對設備改造，增加一個工位、增加一臺涂膠設備。試驗后無焊點和鈑金失效，滿足目標要求，最終采納了此方案。

方案3需要修改模具，單車成本高、周期長，未驗證未采納。

6 總結

（1）Ncode焊點疲勞分析，一維焊點損傷與試驗值具有更好的一致性，但一維焊點需要與上下基材垂直，不能像三維六面體焊點一樣批處理建模，操作不方便，適用于局部損傷大、關鍵位置的焊點。推薦焊點連接的基材網格尺寸6-10mm，以達到足夠的剛度。

（2）車門飾件、附件質量占比小于5%，一般可以簡化為質量點，節省建模、仿真計算時間。占比大于5%，通常推薦用有限元模型，如車門內飾、外下飾板等。

（3）門鎖機構模型能更真實地模擬門鎖的鎖止行為，使車門動能與內能之間的轉化更趨平穩，克服了傳統連接單元瞬間鎖止導致瞬態應力過大的問題，可有效提升仿真精度。

（4）焊點疲勞損傷目標小于1，推薦損傷大于0.5的點也需要關注。優化方案的安全余量一般需要達到5-10倍。

參考文獻：

[1]漆輝.汽車車門開閉耐久的試驗標準與方法研究[J].制造試驗，2019.04.13.

[2]中華人民共和國汽車行業標準委員會.QC/T323-2007汽車門鎖和車門保持件[S].北京：中國標準出版社.