龍巖，蔣凌山，劉雪強(qiáng)，熊海林，陳志勇，鐘慧卿

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春，130022；2.一汽-大眾汽車有限公司技術(shù)開發(fā)部，吉林長(zhǎng)春，130011)

目前汽車輕量化已成為汽車研究領(lǐng)域中的重要研究方向之一[1]，同時(shí)，輕量化對(duì)汽車疲勞耐久性能和安全性能提出更高要求。近些年國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)汽車車身輕量化進(jìn)行了大量研究，并取得了很多研究成果[2?3]。通常車身輕量化設(shè)計(jì)方法主要以鈑金件的厚度等參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以質(zhì)量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再通過疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性[4?5]，開發(fā)周期較長(zhǎng)，而同時(shí)將質(zhì)量和疲勞壽命作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究并不多見[6?7]。另外，對(duì)車身上眾多裝備件質(zhì)量與疲勞壽命的關(guān)系進(jìn)行研究并綜合各因素進(jìn)行系統(tǒng)多性能綜合優(yōu)化的研究也較少。車門作為駕駛員和乘員出入車輛的通道，需要承受經(jīng)常開關(guān)車門的動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用，作為用戶操作最頻繁的總成之一，車門開關(guān)操作疲勞壽命是車門開發(fā)必須設(shè)計(jì)并驗(yàn)證的主要性能，也是用戶直接體驗(yàn)度很高的一項(xiàng)性能。人們通常對(duì)車門鈑金件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然輕量化效果直接但往往會(huì)提高車門結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，降低其開關(guān)疲勞壽命，因此車門總成輕量化設(shè)計(jì)同時(shí)必須滿足剛度和疲勞壽命性能要求，綜合考慮車門各裝備件的質(zhì)量和剛度等參數(shù)對(duì)車門疲勞壽命的影響進(jìn)行車門總成級(jí)別的多部件多目標(biāo)綜合優(yōu)化。本文作者以某車型的車門總成輕量化和疲勞壽命為研究目標(biāo)，建立車門總成及車身總成的有限元模型，通過模擬用戶開關(guān)車門的習(xí)慣進(jìn)行車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)和車門剛度試驗(yàn)以驗(yàn)證模型正確性，同時(shí)研究車門裝備件主要參數(shù)對(duì)車門疲勞壽命的影響，以質(zhì)量和疲勞壽命為優(yōu)化目標(biāo)，以各個(gè)裝備件參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以保證車門剛度作為約束條件，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)車門進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化，以期在保證車門剛度并提高疲勞壽命的同時(shí)完成輕量化設(shè)計(jì)。

1 車門疲勞損傷與壽命

本文車門采用某鍍鋅鋼板材料，鈑金厚度為0.70 mm，開關(guān)疲勞試驗(yàn)中鈑金疲勞破壞的主要形式為由局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的鈑金裂紋，開關(guān)疲勞壽命設(shè)計(jì)要求不低于1×105次，因此本文通過仿真計(jì)算得到車門開關(guān)過程中裂紋形成部位的局部應(yīng)力，應(yīng)用局部應(yīng)力-應(yīng)變法對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)處進(jìn)行疲勞損傷分析[8]，計(jì)算得到危險(xiǎn)點(diǎn)處的疲勞壽命，危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)變-壽命關(guān)系如下：

式中：εa為應(yīng)變幅值；為f級(jí)載荷下疲勞強(qiáng)度系數(shù)；E為材料彈性模量；為f級(jí)載荷下疲勞延伸系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；Nf為f級(jí)疲勞載荷下的疲勞壽命。

零部件載荷循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下：

式中：σa為應(yīng)力幅值；K′為強(qiáng)度系數(shù)；n′為應(yīng)變硬化指數(shù)。

車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)中鈑金件危險(xiǎn)點(diǎn)處所受到的應(yīng)力與脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力類似，鈑金件主要受到局部拉伸應(yīng)力作用而產(chǎn)生疲勞裂紋，Smith-Watson-Topper(SWT)平均應(yīng)力修正方法較適用于拉伸平均應(yīng)力的修正且偏于保守，如式(3)所示。

式中：σmax=σa+σm，σm為平均應(yīng)力。

根據(jù)Miner疲勞損傷累積法則可計(jì)算測(cè)試循環(huán)過程中零部件局部載荷偽損傷。

式中：Nf為第f級(jí)載荷的損傷循環(huán)數(shù)；nf為第f級(jí)載荷的實(shí)際加載循環(huán)數(shù)；D為總損傷，當(dāng)總損傷D≥1時(shí)，認(rèn)為失效發(fā)生。修正后車門鈑金缺口相應(yīng)材料的應(yīng)力-壽命曲線和缺口位置如圖1所示。

圖1 材料應(yīng)力?壽命曲線Fig.1 Stress?life curve and notch location of material

2 車門總成模型建立及驗(yàn)證

2.1 車門剛度仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

使用Hypermesh軟件對(duì)車門三維模型進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化和清理，選用板殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為4 mm，較多地使用四節(jié)點(diǎn)直邊單元(QUAD4)，通過局部網(wǎng)格加密方式提高應(yīng)力精度，選用三節(jié)點(diǎn)直邊單元(TRIA3)提高過渡網(wǎng)格質(zhì)量，采用塊單元和短梁模擬焊點(diǎn)，采用點(diǎn)面接觸連接方式模擬黏膠部分，得到車門有限元模型如圖2所示，其中，P1和P2為加載點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn))，模型單元總數(shù)為161 154個(gè)。

圖2 左前車門總成有限元模型Fig.2 FEM of left-front car door

有限元模型的精度直接影響疲勞壽命分析和優(yōu)化的準(zhǔn)確程度，為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，試制車門總成樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車門框的靜態(tài)變形(即剛度)對(duì)車門疲勞壽命有直接影響，車門框靜態(tài)變形測(cè)量如圖3所示(其中F為在P2點(diǎn)施加的試驗(yàn)載荷)。在試驗(yàn)載荷下，變形仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。表1中，所示數(shù)值為計(jì)算變形和實(shí)測(cè)變形與設(shè)計(jì)要求極限值的比值。數(shù)值大于100%則說明產(chǎn)品變形超過設(shè)計(jì)要求，即產(chǎn)品不合格。由表1對(duì)比結(jié)果可知仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定誤差，且誤差在可以接受的范圍內(nèi)，故該車門總成剛度合格且模型精度滿足工程要求。但該車門框變形計(jì)算值接近設(shè)計(jì)要求值，因此在優(yōu)化計(jì)算時(shí)應(yīng)合理約束車門框變形范圍，以保證車門框靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 車門開關(guān)疲勞仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 車門P2點(diǎn)靜剛度測(cè)試裝置Fig.3 Static stiffness measurement device of P2 point of car door

表1 計(jì)算變形與實(shí)測(cè)變形對(duì)比Table 1 Contrast of simulated and tested deformation

為保證仿真與疲勞試驗(yàn)相一致，分別建立白車身、門洞條、車窗導(dǎo)軌、車門玻璃、車門鉸鏈、門鎖和鎖銷等部件的有限元模型，后視鏡和門護(hù)板作為質(zhì)量集中載荷，裝配建立車門和車身系統(tǒng)有限元模型[9]，對(duì)于質(zhì)量集中單元采用節(jié)點(diǎn)剛體的連接方式，如后視鏡作為一個(gè)質(zhì)量集中載荷通過RB2 單元連接。門洞條模型采用OGDEN 材料模型[10]，通過調(diào)整模型參數(shù)使得門洞條模型的密封力曲線與設(shè)計(jì)要求保持一致。車門和車身系統(tǒng)有限元模型單元總數(shù)為1 309 855個(gè)，如圖4所示[11]。

圖4 車門車身系統(tǒng)有限元模型Fig.4 FEM of door and body of car

按照車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置模型，使車門關(guān)閉速度和關(guān)閉能量與實(shí)車疲勞試驗(yàn)中的保持一致，應(yīng)用Hyperworks軟件中的RADIOSS求解器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算[12?13]，結(jié)果表明在車門內(nèi)板三角窗切口處(如圖5所示)存在較大應(yīng)力集中，應(yīng)力最大危險(xiǎn)單元為181 192，仿真得到該危險(xiǎn)單元在車門關(guān)閉過程中的Von Mises 應(yīng)力曲線如圖6所示。由圖6可見：危險(xiǎn)單元處的應(yīng)力類似脈沖循環(huán)應(yīng)力，最大應(yīng)力約為109.0 MPa，應(yīng)力幅值也約為109.0 MPa，應(yīng)用疲勞損傷理論通過FEMFAT 軟件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，預(yù)測(cè)該車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)在3.1×104次左右可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命遠(yuǎn)低于1×105次的要求，存在較高疲勞壽命風(fēng)險(xiǎn)[14?15]。

圖5 原設(shè)計(jì)車門有限元Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of door Von Mises stress before optimization

圖6 車門關(guān)閉時(shí)危險(xiǎn)單元181 192處Von Mises應(yīng)力曲線Fig.6 Von Mises stress curve of cell 181 192 during door close

將試制的車門總成安裝在車身上進(jìn)行車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)，門內(nèi)板三角窗切口處鈑金在車門開關(guān)27 743 次左右時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋,如圖7所示。相同位置處疲勞仿真壽命約為3.1×104次，疲勞計(jì)算壽命與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差約為14.81%，可知所建仿真模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果比較接近，車門和車身系統(tǒng)模型精度滿足工程要求，并且車門總成設(shè)計(jì)存在較大疲勞壽命問題。

圖7 車門經(jīng)27 743次開關(guān)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results after 27 743 times of door on-off fatigue tests

3 車門總成疲勞壽命影響因素

由于車門總成在用戶使用過程中容易出現(xiàn)疲勞破壞問題的主要是金屬鈑金件，基于已建立的有限元模型，本文選取與金屬鈑金件疲勞壽命相關(guān)的8個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究[16?17]，即鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度、鎖銷位置偏移量、切口鈑金圓角、車門玻璃厚度、門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量、門內(nèi)板鈑金厚度、后視鏡質(zhì)量和門洞條密封力。由于車門外板鈑金關(guān)系到外觀造型等方面的原因，本次優(yōu)化將車門內(nèi)板鈑金作為主要優(yōu)化對(duì)象。圖8所示為內(nèi)板鈑金可能出現(xiàn)疲勞壽命問題的主要區(qū)域示意圖。

3.1 鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車門疲勞壽命的影響

圖8 車門內(nèi)板鈑金可能出現(xiàn)疲勞問題的區(qū)域Fig.8 Potential fatigue regions of inner plate of car door

車門關(guān)閉撞擊瞬間，鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)從門鎖傳遞到車門鈑金的沖擊載荷有直接影響，仿真結(jié)果如圖9所示。其中，鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度比為車門關(guān)閉時(shí)鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度仿真值與原車狀態(tài)鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度的比值，疲勞壽命比為某一鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度下車門疲勞壽命仿真值與原車狀態(tài)車門疲勞壽命的比值。由圖9可見：隨著鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度比增加，車門疲勞壽命比先增加后減小；最大應(yīng)力點(diǎn)從圖8所示的4號(hào)區(qū)域轉(zhuǎn)移到2號(hào)區(qū)域，鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度存在對(duì)車門疲勞壽命影響的最優(yōu)值，在優(yōu)化和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)找到并合理利用該最優(yōu)值。

圖9 鎖鉤扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.9 Influence of lock claw torsion stiffness on fatigue life of car door

3.2 鎖銷位置偏移量對(duì)車門疲勞壽命的影響

門鎖銷偏移量直接影響車門內(nèi)間隙，從而影響門洞密封條的壓縮量及鎖銷與門鎖撞擊程度，最終影響車門總成所受載荷。計(jì)算時(shí)定義鎖銷位置向門外側(cè)偏移為正方向，向門內(nèi)側(cè)偏移為負(fù)方向，鎖銷位置偏移量對(duì)車門疲勞壽命的影響仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10 可見：鎖銷向外側(cè)偏移，內(nèi)間隙增大，車門疲勞壽命增加，鎖銷向內(nèi)側(cè)偏移，內(nèi)間隙減小，車門疲勞壽命降低，危險(xiǎn)點(diǎn)從圖8所示3號(hào)區(qū)域轉(zhuǎn)移到4號(hào)區(qū)域。

3.3 門內(nèi)板鈑金切口圓角對(duì)車門疲勞壽命的影響

門內(nèi)板三角窗處切口是容易發(fā)生疲勞問題的區(qū)域，其過渡圓角的半徑對(duì)消除應(yīng)力集中并增加該區(qū)域的疲勞壽命具有積極作用，門內(nèi)板鈑金切口圓角對(duì)車門疲勞壽命的影響仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11 可見：隨切口圓角半徑增加，切口區(qū)域疲勞壽命先減小后增加，存在1個(gè)疲勞壽命最小值，危險(xiǎn)點(diǎn)為圖8所示1號(hào)區(qū)域，可知切口處過渡圓角并不是越平滑疲勞壽命就越高，在優(yōu)化和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該找到該疲勞壽命轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并合理設(shè)計(jì)過渡圓角半徑。

圖10 鎖銷位置偏移量對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.10 Influence of lockpin location displacement on fatigue life of car door

圖11 內(nèi)板切口過渡半徑對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.11 Influence of kerf radius on fatigue life of car door

3.4 車門玻璃厚度對(duì)車門疲勞壽命的影響

車門玻璃厚度直接影響到車門總成質(zhì)量和車門總成剛度，進(jìn)而對(duì)車門的疲勞壽命產(chǎn)生影響，仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可見：隨著車門玻璃的厚度增加，車門疲勞壽命降低，但玻璃厚度增大到6 mm后再繼續(xù)增加對(duì)車門疲勞壽命的影響較小，危險(xiǎn)點(diǎn)主要為圖8所示的4號(hào)區(qū)域。

3.5 門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響

車門內(nèi)護(hù)板除主要承載一些功能鍵以及美觀功能外，其質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命也具有一定影響，門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響仿真結(jié)果如圖13所示。由圖13可見：門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量的存在可以提高車門疲勞壽命，但存在1個(gè)極值，超過該質(zhì)量極值后車門疲勞壽命會(huì)有所下降，繼續(xù)增加質(zhì)量，車門疲勞壽命下降趨于穩(wěn)定，說明門內(nèi)護(hù)板的質(zhì)量不宜過小，而過大的質(zhì)量不利于車門輕量化和疲勞壽命，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)門護(hù)板質(zhì)量有利于兼顧車門輕量化和疲勞壽命要求。危險(xiǎn)點(diǎn)為圖8所示的4號(hào)區(qū)域。

圖12 車門玻璃厚度對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.12 Influence of door glass thickness on fatigue life of car door

圖13 車門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.13 Influences of door trim mass on fatigue life of car door

3.6 門內(nèi)板鈑金厚度對(duì)車門疲勞壽命的影響

門內(nèi)板鈑金的厚度直接影響車門總成的質(zhì)量、疲勞壽命和剛度，門內(nèi)板鈑金厚度對(duì)車門疲勞壽命的影響仿真結(jié)果如圖14所示。由圖14可見：門內(nèi)板鈑金厚度增加，車門質(zhì)量增加，疲勞壽命隨之增加并且在厚度約為0.70 mm時(shí)迅速增加，設(shè)計(jì)時(shí)需合理利用厚度小于0.70 mm時(shí)斜率較小部分的特性，通過較少地降低疲勞壽命以獲得較大的輕量化結(jié)果，危險(xiǎn)點(diǎn)由圖8所示的4 號(hào)區(qū)域轉(zhuǎn)移到1號(hào)區(qū)域。

3.7 外后視鏡質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響

圖14 車門內(nèi)板鈑金厚度對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.14 Influence of door armor plate thickness on fatigue life of car door

圖15 外后視鏡質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.15 Influence of exterior rearview mirror mass on fatigue life of car door

外后視鏡質(zhì)量對(duì)門內(nèi)板三角窗處鈑金局部應(yīng)力具有直接影響，從而影響車門疲勞壽命。外后視鏡質(zhì)量對(duì)車門疲勞壽命的影響仿真結(jié)果如圖15所示。由圖15 可見：同樣的位置外后視鏡質(zhì)量減小，車門疲勞壽命增加，且曲線斜率不大，危險(xiǎn)點(diǎn)為圖8所示的1號(hào)區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該合理匹配外后視鏡質(zhì)量，增加車門疲勞壽命。

3.8 門洞條密封對(duì)車門疲勞壽命的影響

車門洞密封條位于車門與車身之間，填補(bǔ)門內(nèi)間隙，為車門提供支撐，其密封力直接影響車門關(guān)閉瞬間的沖擊載荷，從而影響車門疲勞壽命。采用軟件中OGDEN材料模型，調(diào)整模型參數(shù)使門洞條模型的密封力曲線與設(shè)計(jì)要求保持一致，通過軟件設(shè)定自動(dòng)修改參數(shù)調(diào)整門洞條密封力進(jìn)行仿真計(jì)算，得到密封力對(duì)門內(nèi)板疲勞壽命的影響，如圖16所示。由圖16可見：隨著門洞條密封力增大，車門疲勞壽命有所增加，經(jīng)過曲線斜率拐點(diǎn)后增大密封力，車門疲勞壽命會(huì)迅速增加，優(yōu)化和設(shè)計(jì)時(shí)需找到該斜率拐點(diǎn)，合理利用該斜率較大部分的特性，通過合理增加密封力獲得較大的疲勞壽命提升效果。另外，密封力變化對(duì)車門總成質(zhì)量影響很小，危險(xiǎn)點(diǎn)為圖8所示的1號(hào)區(qū)域。

圖16 門洞條密封力對(duì)車門疲勞壽命的影響Fig.16 Influence of door sealed strip on fatigue life of car door

4 車門質(zhì)量和疲勞壽命綜合優(yōu)化

4.1 設(shè)計(jì)變量

以上述8個(gè)影響參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，其中4個(gè)參數(shù)為質(zhì)量參數(shù)，其余4個(gè)非質(zhì)量參數(shù)參與優(yōu)化計(jì)算有利于得到較合適的優(yōu)化結(jié)果。結(jié)合設(shè)計(jì)師建議和參考文獻(xiàn)[18?20]中的設(shè)計(jì)變量取值范圍，依據(jù)各參數(shù)變量特性曲線范圍確定，如表2所示。表2中，初始值為車門總成各參數(shù)實(shí)際數(shù)值，上限和下限為各參數(shù)變量?jī)?yōu)化計(jì)算的約束值。

4.2 優(yōu)化目標(biāo)

以車門4個(gè)優(yōu)化件的質(zhì)量(M)為優(yōu)化目標(biāo)，其表達(dá)式為

表2 設(shè)計(jì)變量Table 2 Design variables

式中：M(x4)為車門玻璃質(zhì)量；M(x5)為車門內(nèi)護(hù)板質(zhì)量；M(x6)為車門內(nèi)鈑金質(zhì)量；M(x7)為后視鏡質(zhì)量。

以車門部件的疲勞壽命(L)作為優(yōu)化目標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：Li為第i個(gè)部件的疲勞壽命；i為車門某部件，本文取i=1,8。

4.3 車門總成多目標(biāo)綜合優(yōu)化

綜合考慮車門質(zhì)量、疲勞壽命和剛度(變形)性能指標(biāo)，對(duì)車門總成進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。以質(zhì)量和疲勞壽命性能作為優(yōu)化目標(biāo)，剛度(變形)保持現(xiàn)狀為約束條件，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表示為

式中：M(x)為車門總成質(zhì)量；L(x)為車門總成疲勞壽命；P1(x)和P10分別為車門框P1點(diǎn)變形及初始值，P10=76.51%；P2(x)和P20分別為車門框P2點(diǎn)變形及初始值，P20=86.23%；d1和d2分別為車門框P1和P2點(diǎn)的約束系數(shù)，基于P10和P20的初始值，本文取d1=d2=10%，車門框靜剛度變化量為[?10%,10%]，以保證優(yōu)化后車門框變形合格(<100%)；x為設(shè)計(jì)變量，xL和xU分別為各設(shè)計(jì)變量的下限和上限。

本文選用粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法，定義粒子群算法的粒子群規(guī)模為60，迭代的代數(shù)為100，優(yōu)化得到車門質(zhì)量與疲勞壽命的關(guān)系如圖17所示。

由圖17 可見：車門4個(gè)部件的質(zhì)量目標(biāo)與車門疲勞壽命目標(biāo)大體相互矛盾，基于綜合性能提高的考慮，應(yīng)在滿足疲勞壽命(1×105次)要求同時(shí)盡量選擇車門質(zhì)量最小的優(yōu)化結(jié)果，考慮模型計(jì)算誤差(約14.81%)，選擇疲勞壽命約為1.21×105次，質(zhì)量約為11.18 kg的優(yōu)化結(jié)果，以保證物理樣件能夠接近理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)。各設(shè)計(jì)參數(shù)變量的優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過圓整后如表3所示。優(yōu)化后車門危險(xiǎn)點(diǎn)為車門內(nèi)板三角窗切口處(1 號(hào)區(qū)域)，計(jì)算得到危險(xiǎn)單元(174 624)的Von Mises 最大應(yīng)力為80.1 MPa，如圖18所示。由圖18和表3 可見：優(yōu)化后危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力較優(yōu)化前有明顯減小，疲勞壽命約為優(yōu)化前的4 倍，車門總成質(zhì)量較優(yōu)化前減少2.44 kg。

圖17 車門質(zhì)量與疲勞壽命的關(guān)系Fig.17 Relationship between car door mass and fatigue life

表3 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果Table 3 Optimization results of design variables

圖18 優(yōu)化后缺口危險(xiǎn)點(diǎn)處Von Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.18 Calculation results of kerf region Von Mises stress after optimization

4.4 優(yōu)化結(jié)果仿真驗(yàn)證

對(duì)車門總成主要部件優(yōu)化前后的應(yīng)力進(jìn)行疲勞仿真計(jì)算，結(jié)果如圖19所示，圖中箭頭指向部分為最大應(yīng)力集中區(qū)域。

由圖19(a)和(b)可知：優(yōu)化后車門內(nèi)板三角窗鈑金切口處的應(yīng)力分布得到改善，整個(gè)車門內(nèi)板的應(yīng)力分布沒有太大變化，局部最大應(yīng)力點(diǎn)為3號(hào)區(qū)域，其應(yīng)力由優(yōu)化前的98.9 MPa 增大為104.6 MPa，考慮具體結(jié)構(gòu)形式，疲勞計(jì)算表明該最大應(yīng)力點(diǎn)不構(gòu)成疲勞壽命危險(xiǎn)點(diǎn)，車門其他各應(yīng)力集中點(diǎn)疲勞壽命均超過1×105次，試驗(yàn)亦證明這些位置并未發(fā)生疲勞破壞。由圖19(c)和(d)可知：優(yōu)化后車門外板的應(yīng)力分布并未發(fā)生太大變化，其最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力由101.6 MPa增大為105.4 MPa，計(jì)算表明該點(diǎn)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。由圖19(e)和(f)可知：優(yōu)化后車門加強(qiáng)組件的局部最大應(yīng)力由91.2 MPa 降低為88.7 MPa 且不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。由圖19(g)和(h)可知：優(yōu)化后車窗立柱的局部最大應(yīng)力由158.5 MPa 降低為141.6 MPa 且不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。綜上可知，車門總成優(yōu)化后沒有對(duì)車門其他結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響，部分結(jié)構(gòu)件局部最大應(yīng)力降低，同時(shí)沒有產(chǎn)生新的疲勞壽命危險(xiǎn)點(diǎn)，車門優(yōu)化方法可行。

5 車門總成優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化結(jié)果試制車門樣件，將質(zhì)量減輕的裝備件快速成型或改制為保證裝配位置和質(zhì)量要求的替代件，按照同樣的方法進(jìn)行車門框靜態(tài)變形量測(cè)量并與優(yōu)化前的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如表4所示。由表4可見：優(yōu)化后的車門框變形雖有增大，但亦滿足車門框變形設(shè)計(jì)要求，達(dá)到保證車門剛度基本不變的優(yōu)化要求。

將試制車門總成安裝到車身上進(jìn)行車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)，經(jīng)過1×105次車門開關(guān)后，對(duì)試驗(yàn)車門進(jìn)行目視檢查，車門總成優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證如圖20所示。由圖20 可見車門沒有發(fā)生疲勞破壞，說明優(yōu)化后的車門滿足設(shè)計(jì)要求。為驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，繼續(xù)進(jìn)行車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)直至發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)經(jīng)過109 428次左右車門開關(guān)后，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。由圖21可見：在車門三角窗的鈑金切口處發(fā)現(xiàn)鈑金裂紋，優(yōu)化后計(jì)算疲勞壽命與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差約為10.57%，車門拆檢后未在其他部位發(fā)現(xiàn)疲勞破壞，證明了優(yōu)化方法和結(jié)果的正確性。

圖19 優(yōu)化前后車門主要部件Von Mises應(yīng)力分布對(duì)比Fig.19 Contrasts of Von Mises stress of major components of car door before and after optimization

表4 優(yōu)化前后計(jì)算變形與實(shí)測(cè)變形對(duì)比Table 4 Contrast of simulated and tested deformations before and after optimization

圖20 改進(jìn)車門開關(guān)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.20 Results of optimized car door after door on-off fatigue test

圖21 改進(jìn)車門經(jīng)109 428次開關(guān)疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.21 Results of optimized car door after 109 428 times of door on-off fatigue tests

6 結(jié)論

1)建立車門總成及車身系統(tǒng)有限元模型，通過車門剛度試驗(yàn)和開關(guān)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為車門總成疲勞壽命計(jì)算和分析提供基礎(chǔ)。

2)對(duì)影響車門疲勞壽命的8 項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，揭示了車門裝備件質(zhì)量、剛度、尺寸和安裝位置等參數(shù)與車門疲勞壽命的關(guān)系，為車門綜合優(yōu)化計(jì)算提供基礎(chǔ)，優(yōu)化計(jì)算時(shí)選擇非質(zhì)量相關(guān)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量有利于得到合適結(jié)果，各參數(shù)影響分析也可為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)和改進(jìn)思路。

3)同時(shí)以車門質(zhì)量和疲勞壽命為目標(biāo)，以保證車門靜態(tài)剛度為約束，應(yīng)用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，對(duì)車門總成進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化計(jì)算，得到Pareto最優(yōu)解集。

4)考慮計(jì)算誤差和工程實(shí)際選取1 組最優(yōu)解，對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證車門總成優(yōu)化效果，結(jié)果表明，在滿足車門剛度和疲勞壽命要求的同時(shí)，優(yōu)化后車門總成質(zhì)量減少2.44 kg，優(yōu)化效果較明顯。