基于瞬態(tài)響應(yīng)的SUV后背門開閉疲勞有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張巖,盧生林,王婭

(奇瑞汽車股份有限公司，試驗(yàn)和整車工程中心，安徽省汽車NVH與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖 241009)

0 引言

由于機(jī)械構(gòu)件在運(yùn)行條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣、長期的復(fù)雜載荷下容易產(chǎn)生疲勞損傷與缺陷，使其在沒有發(fā)生明顯塑性變形的情況下發(fā)生疲勞斷裂，因此在機(jī)械裝備運(yùn)行中易導(dǎo)致惡性事故發(fā)生，尤其在航空航天、鐵路運(yùn)輸、船舶、汽車、橋梁等關(guān)系到國計(jì)民生的重要領(lǐng)域[1]，統(tǒng)計(jì)資料也顯示近年來重大裝備與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的斷裂失效事件相繼發(fā)生，80%～90%的結(jié)構(gòu)失效是由疲勞破壞引起的[2-3]。

汽車的后背門是車身重要的系統(tǒng)之一，后背門除了要滿足汽車造型的需要，更要滿足作為開啟件的功能要求。日常使用時(shí)，需要經(jīng)常拿取物品，導(dǎo)致后背門的開閉頻率較高。另外，由于使用時(shí)條件較為惡劣、開閉后背門的速度較大、設(shè)計(jì)不合理等因素的影響，導(dǎo)致后背門的疲勞破壞。目前，解決后背門耐久性能問題的有限元分析方法，主要依賴于靜強(qiáng)度分析，通過特定典型工況下，其最大應(yīng)力是否超過屈服極限來判斷。這種方法不能完全預(yù)測疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)和焊點(diǎn)的失效，局限性較強(qiáng)。

本文作者旨在解決并優(yōu)化某SUV車型的后背門在開閉耐久性能試驗(yàn)焊點(diǎn)失效問題，建立了一種基于瞬態(tài)響應(yīng)分析的后背門疲勞有限元分析方法。有限元分析結(jié)果成功復(fù)現(xiàn)了耐久性能試驗(yàn)中的開裂問題，通過對開裂方案的傳力路徑分析，獲得優(yōu)化方案，優(yōu)化方案最終通過有限元分析與后續(xù)耐久試驗(yàn)的驗(yàn)證。因此，疲勞仿真結(jié)果與開閉耐久性能試驗(yàn)之間存在較好的相關(guān)性。

1 后背門開閉耐久試驗(yàn)

1.1 后背門開閉耐久試驗(yàn)介紹

汽車在上市前，都要通過后背門開閉耐久性能試驗(yàn)的驗(yàn)證，試驗(yàn)的主要過程是在后背門完全開啟的狀態(tài)下，對后背門施加初始速度，在后背門完全關(guān)閉的同時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)也能完全處于鎖死的狀態(tài)，以此過程作為一個(gè)完整的循環(huán)，經(jīng)過規(guī)定的若干循環(huán)后，如果后背門不出現(xiàn)疲勞耐久問題，就認(rèn)為后背門開閉耐久性能滿足要求。后背門的開閉耐久性能要求，一般是模擬十年的使用壽命，對于后背門耐久性能試驗(yàn)開閉的目標(biāo)次數(shù)，不同的公司有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，一般推薦后背門的耐久性能試驗(yàn)開閉次數(shù)以30 000次為目標(biāo)[4]。

1.2 后背門開閉耐久性能試驗(yàn)

某SUV車型后背門開閉耐久性能試驗(yàn)工裝圖如圖1所示。

圖1 后背門耐久開閉性能試驗(yàn)工裝圖

完成30 000次試驗(yàn)后，檢查發(fā)現(xiàn)后背門鎖加強(qiáng)板與內(nèi)板搭接處的兩個(gè)焊點(diǎn)開裂。兩個(gè)開裂焊點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖2 鎖安裝點(diǎn)處兩個(gè)焊點(diǎn)開裂

2 有限元分析理論及流程

2.1 瞬態(tài)動力學(xué)分析理論

瞬態(tài)動力學(xué)分析(也稱時(shí)間歷程分析)用于確定結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間變化載荷作用的動力學(xué)響應(yīng)[5]。瞬態(tài)動力學(xué)分析包括瞬態(tài)響應(yīng)分析和固有特征分析。在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下，應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)分析方法可以確定結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力等參數(shù)。瞬態(tài)響應(yīng)分析屬于動力學(xué)的分析范疇，與靜力分析有著本質(zhì)區(qū)別，動力學(xué)分析需要考慮隨時(shí)間變化的載荷以及阻尼和慣性的影響[6]。當(dāng)阻尼和慣性對分析結(jié)果影響非常小時(shí)，才可以采用靜力分析。

2.2 疲勞分析理論

疲勞是零部件在循環(huán)載荷作用下，局部損傷產(chǎn)生的過程。累積損傷法則的疲勞壽命預(yù)測分析，是指當(dāng)應(yīng)力高于材料的疲勞極限時(shí)，每一次循環(huán)載荷都會對其產(chǎn)生損傷，且不可逆、可累計(jì)，當(dāng)總損傷累積到一定的臨界值時(shí)，疲勞破壞就會產(chǎn)生。在汽車領(lǐng)域中，特別是汽車的結(jié)構(gòu)，疲勞損傷累積的方法被廣泛地應(yīng)用。

2.2.1 基于名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測模型

文中計(jì)算焊點(diǎn)疲勞壽命采用名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，因?yàn)槊x結(jié)構(gòu)應(yīng)力法不需要建立精細(xì)的焊點(diǎn)模型，只需要通過焊點(diǎn)焊核橫截面的力和力矩以及薄膜和梁理論計(jì)算出局部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，不需要對焊點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性。文中計(jì)算焊點(diǎn)疲勞壽命所采用的名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力法基于NAKAHARA[7]在2000年提出了一種基于名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力來評估焊點(diǎn)壽命的方法，采用理論公式計(jì)算得到的應(yīng)力，與采用精細(xì)化有限模型計(jì)算得到的應(yīng)力保持了較好的一致性，相比于最早RUPP[8]采用名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力法引入了約束直徑D的概念，根據(jù)不同的受力結(jié)構(gòu)類型與分析經(jīng)驗(yàn)確定合理的約束直徑D也是至關(guān)重要的，最后再結(jié)合試驗(yàn)所獲得的焊點(diǎn)樣件的S-N曲線，就能得到焊點(diǎn)的疲勞壽命，并且與試驗(yàn)取得了較好的相關(guān)性。在直角坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系下焊點(diǎn)的焊核受力示意圖如圖3所示。

圖3 焊點(diǎn)模型

2.2.2 線性疲勞損傷累積理論

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過程。這是一個(gè)由包括零件裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂等組成的累積過程所導(dǎo)致產(chǎn)生的綜合結(jié)果[9]。線性疲勞損傷累積理論在工程領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用，這種理論認(rèn)為：“材料的疲勞損傷在不同級別的應(yīng)力下，是獨(dú)立進(jìn)行的，不同級別的損傷通過線性疊加的方式，最后得到總的損傷”，其中最有代表性的是Miner疲勞損傷累積理論。當(dāng)零件的應(yīng)力水平高于對應(yīng)材料的疲勞極限時(shí)，一個(gè)循環(huán)下造成的損傷是1/N,則n次恒幅載荷下所造成的損傷為n/N。變幅載荷下的計(jì)算疲勞損傷累計(jì)的公式為：

(1)

式中：i為變幅載荷的應(yīng)力水平級數(shù)，ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

當(dāng)總損傷值累積到臨界值D=1時(shí)，疲勞破壞產(chǎn)生[10]。

3 后背門有限元建模和仿真分析

3.1 有限元模型建立

截取模型應(yīng)包括整個(gè)后背門、D柱以及相關(guān)關(guān)鍵件，如圖4所示。約束車身截取節(jié)點(diǎn)，后背門施加重力場。

圖4 車身及后背門有限元模型

3.1.1 密封條的簡化及模擬

密封條的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以在仿真過程中，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｃ芊馊εc后背門鈑金接觸部位采用剛體面模擬。密封圈的剛度以一定數(shù)量的彈簧單元模擬，彈簧單元均布在密封條的安裝位置上，彈簧剛度由試驗(yàn)測得。此類方法建模簡單、計(jì)算效率高，且彈簧剛度由試驗(yàn)測得，可與實(shí)際密封圈的剛度保持較好的相關(guān)性。簡化的密封條模型如圖5所示。

圖5 簡化的密封條模型

彈簧單元賦予密封條剛度曲線，由密封條剛度試驗(yàn)確定，試驗(yàn)測得密封條剛度曲線數(shù)據(jù)(兩組數(shù)據(jù))如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)測得密封條剛度曲線

3.1.2 鎖機(jī)構(gòu)的簡化及模擬

建立背板、蓋板、鎖鉤和棘爪等零件的精細(xì)化有限元模型，這種模擬方法不僅能夠準(zhǔn)確地模擬鎖機(jī)構(gòu)的鎖死狀態(tài)，還能反映出鎖鉤在沖擊力的作用下，鎖機(jī)構(gòu)鎖死后鎖鉤在鎖舌和棘爪間的振蕩，此過程更加接近實(shí)際過程，能更準(zhǔn)確地反映鎖機(jī)構(gòu)附近的真實(shí)應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度由試驗(yàn)測得。簡化的鎖機(jī)構(gòu)有限元模型如圖7所示。

圖7 簡化的鎖機(jī)構(gòu)有限元模型

3.1.3 緩沖塊的簡化及模擬

緩沖塊的模擬方法與密封條類似，采用彈簧單元?jiǎng)傮w面來模擬。彈簧單元通過剛性RBE2單元與緩沖塊安裝孔相連。緩沖塊實(shí)際結(jié)構(gòu)與簡化模型如圖8所示。其中彈簧單元?jiǎng)偠惹€采用試驗(yàn)測試的剛度曲線，試驗(yàn)測得緩沖塊剛度曲線如圖9所示。

圖8 緩沖塊實(shí)際結(jié)構(gòu)與簡化模型

圖9 試驗(yàn)測得緩沖塊剛度曲線

3.2 瞬態(tài)響應(yīng)分析和疲勞仿真分析

瞬態(tài)響應(yīng)分析采用ABAQUS/EXPLICIT作為求解器，同時(shí)考慮幾何非線性、材料非線性、邊界非線性條件的影響，最終得到后背門在時(shí)間歷程下的瞬態(tài)應(yīng)力結(jié)果。

FEMFAT軟件中的TRANSMAX模塊軟件中，運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法，并根據(jù)焊點(diǎn)的S-N曲線和Miner線性疲勞損傷累積理論，對后背門進(jìn)行疲勞分析。由公式(1)可知，疲勞損傷定義為疲勞壽命的倒數(shù)，一般認(rèn)為疲勞損傷D>1，發(fā)生疲勞破壞。

后背門損傷云圖如圖10所示。其中在后背門開閉耐久試驗(yàn)失效的兩個(gè)焊點(diǎn)1#和2#焊點(diǎn)的損傷值分別為9.54 >1和9.48>1，均大于目標(biāo)值，如圖10所示。疲勞仿真結(jié)果與耐久試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的相關(guān)性。

圖10 1#焊點(diǎn)和2#焊點(diǎn)損傷值

4 優(yōu)化方案分析及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 失效原因分析

極限位置時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)沖擊鎖鉤，鎖鉤給予鎖機(jī)構(gòu)的反向沖擊方向沿鎖機(jī)構(gòu)向后背門內(nèi)板及鎖加強(qiáng)板傳遞，傳力路徑如圖11中白色箭頭所示。

圖11 向下極限位置時(shí)力的傳力路徑

由于鎖機(jī)構(gòu)與后背門內(nèi)板存在一定夾角，所以沖擊力傳遞到焊點(diǎn)上的力可分解為焊點(diǎn)的拉壓力和剪切力，如圖11中黑色箭頭所示，所以開裂焊點(diǎn)既受拉壓力作用，也受剪切力作用，所以優(yōu)化方案以此為切入點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.2 優(yōu)化方案及疲勞分析結(jié)果

將鎖加強(qiáng)板沿著內(nèi)板方向向下延伸，鎖加強(qiáng)板延伸部分與內(nèi)板采用長度為160 mm的結(jié)構(gòu)膠相連(由于焊接工藝原因此處不能用焊點(diǎn)連接)。結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度較高，能承受較大荷載，抗老化、抗疲勞、抗腐蝕能力強(qiáng)，在使用壽命內(nèi)性能較為穩(wěn)定，適用于承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件黏接的膠黏劑，在車身上對于焊點(diǎn)或者焊縫不能連接部位，可以使用結(jié)構(gòu)膠代替焊點(diǎn)或者焊縫連接，也能起到增加結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的目的。優(yōu)化方案示意圖如圖12所示。優(yōu)點(diǎn)在于，可以將鎖機(jī)構(gòu)傳遞到內(nèi)板和鎖加強(qiáng)板上的沖擊力，通過鎖加強(qiáng)板翻邊的延伸部分向下傳導(dǎo)，并通過鎖加強(qiáng)板與內(nèi)板上的結(jié)構(gòu)膠連接，傳遞到內(nèi)板上，起到了沖擊力的分流作用，大大減輕4個(gè)焊點(diǎn)的承載負(fù)擔(dān)。

圖12 優(yōu)化方案

最終分析得到優(yōu)化方案的疲勞損傷結(jié)果，損傷云圖如圖13所示。由疲勞結(jié)果可知，由于力通過翻邊的延伸部分向下傳導(dǎo)，導(dǎo)致鈑金本體最大損傷位置下移到6#位置處，但損傷為0.48<1，滿足要求；1#焊點(diǎn)損傷值為0.03、2#焊點(diǎn)損傷值為0.03、4#焊點(diǎn)損傷值為0.07、5#焊點(diǎn)損傷值為0.14，4個(gè)焊點(diǎn)損傷值均小于目標(biāo)值，滿足要求。

圖13 優(yōu)化方案疲勞損傷云圖

4.3 優(yōu)化方案開閉耐久試驗(yàn)結(jié)果

對鎖加強(qiáng)板沖壓模具進(jìn)行重新開發(fā)，最終得到與優(yōu)化方案CAD數(shù)據(jù)一致的樣車后背門，然后依據(jù)后背門開閉耐久性能試驗(yàn)的試驗(yàn)規(guī)范對優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)狀態(tài)的后背門進(jìn)行開閉耐久性能試驗(yàn)。經(jīng)過30 000次的開閉耐久循環(huán)后，最終優(yōu)化方案數(shù)據(jù)狀態(tài)的后背門試驗(yàn)結(jié)果顯示，背門鎖加強(qiáng)板與內(nèi)板搭接處的4個(gè)焊點(diǎn)均未失效，與疲勞仿真分析結(jié)果一致。試驗(yàn)后的鎖加強(qiáng)板位置處焊點(diǎn)狀態(tài)如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)后優(yōu)化方案4個(gè)焊點(diǎn)均未開裂

5 結(jié)論

文中結(jié)合實(shí)際工程問題，將理論推導(dǎo)、理論方法選擇、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，以某SUV車型的后背門的焊點(diǎn)在開閉耐久性能試驗(yàn)中開裂為研究對象，針對動態(tài)接觸零件與機(jī)構(gòu)選擇合適的有限元簡化和模擬方法，并對后背門有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到后背門在關(guān)閉過程中的瞬態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程。采用名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析，疲勞分析結(jié)果顯示，在耐久試驗(yàn)中開裂的兩個(gè)焊點(diǎn)的損傷值，均超過目標(biāo)值。通過對開裂方案的傳力路徑分析，獲得優(yōu)化方案并進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果顯示優(yōu)化方案中各焊點(diǎn)的疲勞損傷值均小于目標(biāo)值，并通過了后續(xù)開閉耐久性能試驗(yàn)的驗(yàn)證。

因此，文中基于瞬態(tài)響應(yīng)分析的后背門開閉疲勞有限元分析結(jié)果與開閉耐久性能試驗(yàn)之間存在較好的相關(guān)性，證明該仿真方法可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段有效評估和預(yù)測后背門的開閉疲勞壽命，不但可以在早期規(guī)避結(jié)構(gòu)耐久風(fēng)險(xiǎn)，也可以降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。