1 引言

    車門是汽車的重要部件，具有隔絕車外噪聲，緩沖來自外部沖擊的作用。在日常使用中，由于車門的反復(fù)開關(guān)，可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致車門開裂、油漆脫落等問題，直接影響其使用性能和美觀。在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中，車門的開關(guān)耐久性已經(jīng)成為評(píng)價(jià)車門品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)車門的開關(guān)耐久試驗(yàn)，能夠得到比較可靠的結(jié)果，但需要比較長的時(shí)間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有耐久性問題時(shí)，就需要更改設(shè)計(jì)，修改樣件，重新進(jìn)行試驗(yàn)，將會(huì)增加汽車開發(fā)時(shí)間和成本。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，工程師們已經(jīng)開始嘗試通過有限元方法模擬車門的開關(guān)耐久，預(yù)測其疲勞壽命。LMS公司使用模態(tài)疊加方法，提取試驗(yàn)中的局部應(yīng)力歷程，將其轉(zhuǎn)化成疲勞壽命預(yù)測；上汽集團(tuán)的沈佳等應(yīng)用基于LS-Dyna的顯式非線性分析計(jì)算的車門撞擊強(qiáng)度結(jié)果，再進(jìn)行疲勞分析，計(jì)算出關(guān)注部件在經(jīng)歷所有循環(huán)載荷次數(shù)后的累積損傷。

    本文以某卡車車門為對(duì)象，采用瞬態(tài)響應(yīng)法模擬其開關(guān)強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 基于瞬態(tài)響應(yīng)法的車門開關(guān)強(qiáng)度分析

2.1有限元模型的建立

    卡車車門主要由內(nèi)板、外板、玻璃、升降器、鉸鏈、加強(qiáng)板等組成，車門開關(guān)耐久試驗(yàn)包括車門全關(guān)、半關(guān)和全開三種狀態(tài)，此次模擬為玻璃全關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)強(qiáng)度，這種狀態(tài)由于車門重心較另兩種狀態(tài)要高，因此為最惡劣狀態(tài)，且在日常使用中為最為常見狀態(tài)，所建立的強(qiáng)度分析模型如圖1，單元尺寸為lOmm，鈑金件采用殼單元，鉸鏈、粘膠采用實(shí)體單元分網(wǎng)，整個(gè)模型共包括44977個(gè)單元，48919個(gè)節(jié)點(diǎn)，玻璃與窗框采用彈簧單元連接，玻璃升降器中的轉(zhuǎn)動(dòng)副和滑動(dòng)副采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合，附屬件的質(zhì)量通過剛性單元連接到各安裝點(diǎn)。

圖1 車門FEA模型

    圖1中，1代表左上緩沖塊；2代表右上緩沖塊；3代表鎖扣；4代表鉸鏈；5代表左下緩沖塊。

圖2 加載力曲線

    邊界條件：約束上下鉸鏈與車身安裝處1-5自由度；根據(jù)同級(jí)別車門開關(guān)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)簡化處理后作為計(jì)算模型加載條件，在緩沖塊和鎖扣位置分別沿Y方向施加相應(yīng)的力，力的大小如圖2曲線所示，在密封條處沿Y方向加0.008Mpa的壓強(qiáng)。

    所采用材料參數(shù)見表1。

表1 材料特性

2.2強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

    強(qiáng)度應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程如圖3所示，應(yīng)力最大值為436MPa，位于靠近鉸鏈位置的加強(qiáng)板處，表2列出了各部件應(yīng)力值最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況。

圖3 應(yīng)力結(jié)果

表2 各部件應(yīng)力值最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小

3 疲勞分析

3.1應(yīng)變疲勞分析方法

    對(duì)于循環(huán)應(yīng)力水平較低、壽命長的情況，用應(yīng)力一壽命曲線（S-N曲線）來描述其疲勞性能是恰當(dāng)?shù)�。然而，許多工程構(gòu)件，在其整個(gè)使用壽命期間，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)并不多，因此其設(shè)計(jì)應(yīng)力或應(yīng)變水平可以高一些，以充分發(fā)揮材料的潛力，對(duì)于延性較好的材料，屈服后應(yīng)變的變化比較大，應(yīng)力的變化小。因此用應(yīng)變作為疲勞性能控制參量相對(duì)要好一些。

    上面的強(qiáng)度分析結(jié)果表明，應(yīng)力結(jié)果比較大，超過了材料的屈服強(qiáng)度，且車門的開關(guān)耐久設(shè)計(jì)要求最低壽命次數(shù)大于84000次，屬于中低周疲勞問題，因此對(duì)其做應(yīng)變疲勞分析。其材料屬性相應(yīng)選擇E-N曲線，圖4為車門其中一種材料的E-N曲線。

圖4 E-N曲線

    對(duì)本文中車門的開關(guān)耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper平均應(yīng)力修正法，疲勞系數(shù)取1，材料均不做表面處理。

3.2疲勞分析結(jié)果

    基于強(qiáng)度分析結(jié)果和材料的E-N曲線，計(jì)算得出車門開關(guān)的疲勞壽命，圖5是車門外板的壽命結(jié)果，可以看出，在門把手支架處疲勞壽命為91400次，該位置在整個(gè)車門中疲勞壽命最低；圖6為強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)力最大構(gòu)件一加強(qiáng)板的疲勞壽命云圖，其最低壽命為43290次；表3列出了其它部件的最低壽命次數(shù)。

圖5 車門外板疲勞壽命云圖

圖6 加強(qiáng)板板疲勞壽命云圖

表三 各部件最低疲勞壽命次數(shù)

    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車門開關(guān)耐久最低壽命次數(shù)為84000次，由上表可以看出，各部件的最低壽命均能滿足要求。

4 車門開關(guān)耐久試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)方法

    設(shè)置門的循環(huán)測試裝置，使其能夠在在門全開的位置施加一個(gè)載荷產(chǎn)生（相對(duì)門鉸鏈）的14N?m的過開力矩。調(diào)節(jié)關(guān)門沖擊裝置來產(chǎn)生13.6J關(guān)門能量或等效速度。

    先進(jìn)行84000次開關(guān)門試驗(yàn)，監(jiān)測試驗(yàn)過程，如果出現(xiàn)失效，則判定不合格，終止試驗(yàn)；如未出現(xiàn)失效，判定為合格，并繼續(xù)進(jìn)行摸底試驗(yàn)，直至失效為止，記錄失效情況，開關(guān)次數(shù)。圖7為試驗(yàn)圖片。

圖7 車門開關(guān)耐久試驗(yàn)圖片

圖8 門把手支架疲勞失效

4.2試驗(yàn)結(jié)果

    經(jīng)過84000次循環(huán)后，結(jié)果顯示試驗(yàn)過程中無異常，各零部件狀態(tài)良好、無裂紋產(chǎn)生，滿足設(shè)計(jì)要求。繼續(xù)進(jìn)行摸底試驗(yàn)，至10.1萬次時(shí)，車門把手支架出現(xiàn)斷裂，試驗(yàn)機(jī)終止試驗(yàn)。圖8為門把手支架失效圖。

    將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，疲勞失效位置一致，最低疲勞壽命數(shù)值上誤差為9.5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

    1)采用瞬態(tài)響應(yīng)法模擬了車門一次開關(guān)過程，得到了離散化后的車門結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。

    2)在強(qiáng)度分析結(jié)果基礎(chǔ)上，采用E-N應(yīng)變分析方法做了疲勞計(jì)算，并做了試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

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