汽車側門開關疲勞瞬態仿真方法研究

奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術研發總院，安徽 蕪湖 241009

汽車側門作為車身系統中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著整車使用性能的高低[1]，如噪聲、振動與聲振粗糙度（noise vibration harshness,NVH）、安全、耐久、關門品質[2?4]等。特別是針對于汽車的輕量化設計，側門的減重貢獻量突出，因此對側門的性能提出了更高的挑戰。通過對側門結構性能的分析，如模態、剛度、抗凹、下垂、過開等[5?7]，能在產品設計前期很好地規避風險，縮短開發周期。但是對于汽車結構中使用頻率較高的側門而言，出現問題主要是以經常開關造成的疲勞損壞為主，而開關疲勞分析能很好地貼合實際工況。

目前，常用的開關模擬方法有慣性釋放法和瞬態動力學分析法[8?13]。慣性釋放法效率高，但無法精確地模擬側門在關閉中的真實過程，如接觸、密封條、鎖沖擊振蕩等，因此計算結果精度不高[14]；瞬態動力學分析更接近實際，但是動態模擬復雜，需要考慮多種非線性邊界條件的影響，因此，如何準確地模擬出側門的運動狀態是分析開關疲勞的關鍵。本文以某車型的前側門為例，采用Abaqus/Explicit 進行瞬態響應分析，通過與實驗加速度的對標，修正密封條阻尼參數，使測試和仿真加速度具有較好的相關性，獲得準確仿真模型。采用Ncode 軟件開展疲勞仿真分析，預測出風險位置，并優化改進，最終實驗驗證滿足要求。

1 汽車側門開關疲勞分析方法

側門的開關疲勞分析主要分為2 步：1)進行側門開關過程的瞬態分析，通過有限元建模、材料參數及加載工況的輸入，在Abaqus 軟件中求解得到焊點力與力矩、鈑金應力應變的時間歷程；2)將計算結果導入到Ncode Designlife 軟件中，關聯焊點 S-N 及鈑金 E-N 曲線，通過 Miner線性累積原理，得到多次循環下的損傷。最終根據目標，判定是否滿足要求，不滿足需要優化改進。具體流程如圖1 所示。

圖1 汽車側門開關疲勞分析流程

2 有限元模型

Abaqus/Explicit 采用中心差分法對時間進行積分，求解顯式運動方程，因為不需要求解線性方程組，所以每個增量步的費用較低，特別適用于求解需要分成許多小的時間增量來達到高精度的動力學仿真，如沖擊、碰撞等[15?17]。在Abaqus中，求解應力或位移的單元類型很多，本文中選用的是線性減縮積分單元提高分析效率。但是線性減縮積分單元由于存在“沙漏”問題，采用線性減縮積分單元模擬承受彎曲載荷的結構時，沿厚度方向上至少應劃分4 個單元[18]。

截取1/4 車身模型，如圖2 所示，約束截取位置處全部自由度?？刂凭W格質量如翹曲度、長寬比、傾斜角度、雅克比等，特別是網格尺寸，過小的網格尺寸會導致計算穩定時間增量變小，使計算效率急劇下降。針對此問題，可以采用質量縮放的方法控制時間增量。然而使用時要注意，因為模型質量增加太大會使結果失真，通過能量守恒判斷結果的合理性[19]。側門開關疲勞的過程其實就是門在關閉瞬間從動能轉換為內能的過程，關閉時的能量大概30%由密封條吸收，25%由緩沖塊吸收，40%由鎖吸收，其余5%由其他組件吸收[20]，因此密封條、緩沖塊、鎖的模擬尤為重要。

圖2 分析模型截取示意

側門的密封條主要由2 部分組成，門洞車身側與側門側。密封條的內部結構非常復雜，如圖3所示，在仿真過程中，要進行適當的簡化。在建模中，密封條的形貌要保留，用于模擬變形和接觸；抽取密封條外表面的中面用殼單元模擬，附上密封條的材料；密封條的剛度在側門關閉過程中很重要，剛度過大使得關門困難，過小起不到吸能作用，而且不同位置的密封條剛度不一樣，因此不同位置需要建立局部坐標系指定方向，剛度以一定數量的彈簧單元模擬，彈簧單元均布在密封條中。

圖3 密封條實物截面結構及有限元模型

通常，密封條剛度由實驗測得。密封條剛度實驗樣件與實際安裝在側門上的長度不同，需要通過公式將剛度轉換到每個彈簧單元上：

式中：f為單個彈簧單元在某壓縮量下的載荷大小；F代表長度為l的密封條樣件在某壓縮量下的載荷大小；L為某段密封條的總長度；N為模擬某段密封條彈簧單元的總個數。本文密封條彈簧單元間隔為20 mm，由于實測的剛度非線性段太多，可以選取多個值進行擬合等效，門洞側的某段密封條原始的及等效后的彈簧單元剛度曲線如圖4所示。

圖4 密封條彈簧剛度曲線

緩沖塊的建模規則與密封條類似，如圖5 所示，建立緩沖塊外部表面網格模擬接觸，利用彈簧單元模擬其剛度，剛度值由實驗測得。

圖5 緩沖塊有限元模型

鎖機構的結構比較復雜，在建模中只有準確地模擬鎖的運動狀態才能準確地模擬門關閉過程。如圖6 所示，鎖機構中背板、鎖舌、鎖鉤、棘爪采用實體單元建模，其中棘爪及鎖舌外圈單位需要根據實際材料附上材料屬性，在接觸上后能更好地吸收內能；銷軸以及扭轉彈簧分開模擬，銷軸通過梁單元B31 模擬，截面直徑為銷軸直徑；扭轉彈簧用前述彈簧單元模擬，扭轉彈簧的剛度同樣由實驗測得。側門在關閉過程中，鎖鉤首先與鎖舌碰撞并接觸，迫使鎖舌轉動，從而使鎖柱進入到鎖舌和棘爪之間，達到半鎖狀態；鎖舌撞擊棘爪，使棘爪先向下轉動，再向上卡住鎖舌進入全鎖狀態。棘爪和鎖舌之間通過自身的特征結構進行限位，使鎖鉤不能脫出。由于沖擊力作用，全鎖后鎖鉤會在鎖舌和棘爪間來回進行振蕩。

圖6 鎖機構有限元模型

側門與車身通過鉸鏈連接，鉸鏈由3 部分組成，車身側鉸鏈本體及側門側鉸鏈本體用實體建模，銷軸采用Hinge 單元模擬。其他附件以質量點代替。

3 模型對標

在做實驗的過程中，加速度是一個很容易測得的結果，可以通過加速度傳感器獲得該數據。因此，本文采用基于加速度對標的方法來修正模型。實驗因傳感器連接到電腦，如果在內部取點會影響側門關閉；外部的取點主要根據鉸鏈和鎖對應外板位置，其余位置均布在門框邊界及中部位置，實驗測試加速度7 個位置如圖7 所示。因鉸鏈側的加速度響應不明顯，文中主要列取鎖處及邊界位置點P1、P4、P5的加速度響應圖及對標結果。

圖7 實驗及仿真加速度位置

疲勞損傷的主要影響是幅值，因此把加速度的最小值a和最大值b作為主要目標進行對標。仿真結果與實驗結果對標如圖8 所示。

圖8 加速度對標曲線

通過對比可以發現，鎖在鎖死后，實驗加速度衰減迅速，但仿真結果一直在激蕩，沒有衰減。考慮到側門在實際關閉的過程中存在各種阻尼，如空氣、密封條、緩沖塊等，因密封條面積較大，占主要因素。但是阻尼的獲取比較困難，本文通過將阻尼等效在密封條上進行對標。設置密封條阻尼比為1%～5%，與實驗加速度進行對標，列出P1點對標結果，如圖9 所示。

圖9 不同阻尼比的加速度對標曲線

通過結果對比，阻尼比在1%～5%變化時，加速度的第一個峰值變化不大；隨著阻尼比的增大，加速度衰減越快，但是幅值并不是線性的下降，比如3%的加速度幅值比2%大。與實驗加速度對比，當阻尼比為2%時，最大和最小幅值及衰減過程相關性較好，因此選取密封條阻尼比為2%進行疲勞計算。

4 疲勞驗證

計算得到的損傷結果如圖10 所示，最大損傷在靠近下部門框處焊點，損傷值為1.6、1.1。

圖10 疲勞仿真結果

實驗開裂位置如圖11 所示，與仿真最大損傷位置為同一處焊點，驗證了仿真與實驗的相關性較好。對開裂焊點進行優化改進，在開裂位置增加一段結構膠，仿真得到損傷為0.028、0.017，最終通過實驗驗證。

圖11 開關疲勞實驗結果

5 結論

1）本文建立了側門開關疲勞的瞬態仿真方法，并與實驗結果進行對標。

2）阻尼對于側門加速度響應具有較大的影響，特別是幅值的衰減，當密封條阻尼比為2%時，仿真和實驗具有較好的相關性。

3）后續還需要研究側門在關閉過程中空氣、緩沖塊、鎖的阻尼等，進一步提升仿真精度。