王明慶 茍黎剛 張德彬 尹道志 管迪

摘要：

針對某車型整車耐久路試過程中發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點出現(xiàn)開裂的問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法對發(fā)動機罩焊點進行疲勞分析。根據(jù)發(fā)動機罩模態(tài)應(yīng)變能分布情況優(yōu)化鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布，試驗車整改后在整車耐久路試中發(fā)動機罩焊點未再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點開裂是振動疲勞問題，采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法計算疲勞損傷不能預(yù)測焊點開裂問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法才能更好地預(yù)測發(fā)動機罩焊點疲勞損傷。從模態(tài)應(yīng)變能角度對結(jié)構(gòu)振動疲勞開裂問題進行優(yōu)化能明顯提高優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：

模態(tài)瞬態(tài)法; 準(zhǔn)靜態(tài)法; 焊點; 開裂; 振動; 疲勞

中圖分類號：? U463.833; TB115.1

文獻標(biāo)志碼：? B

Fatigue optimization on welding spot of engine hood

based on modal transient method

WANG Mingqing， GOU Ligang， ZHANG Debin， YIN Daozhi， GUAN Di

（Ningbo Geely Automobile Research and Development Co.， Ltd.， Ningbo 315336， Zhejiang， China）

Abstract：

As to the cracking problem that the welding spots of the hinge reinforcing plate of the engine hood during the endurance road test of whole vehicle， the fatigue analysis of welding spots of the engine hood is carried out by modal transient method. According to the distribution of modal strain energy of engine hood， the structure of hinge reinforcing plate and the distribution of welding spots are optimized. The test

vehicle is rectified， and the engine hood welding spots do not crack again in the vehicle durability road test. The cracking of the welding spots of the hinge reinforcing plate of the engine hood is a vibration fatigue problem， and the quasistatic method based on inertia release is used to calculate the fatigue damage， which can not predict the welding spot cracking， and the fatigue damage of engine hood welding spots can be better predicted using the fatigue calculation method of modal transient method. The optimization of structural vibration fatigue cracking based on the perspective of modal strain energy can significantly improve the optimization efficiency.

Key words：

modal transient method; quasistatic method; welding spot; cracking; vibration; fatigue

0 前 言

發(fā)動機罩是由外板、內(nèi)板、撐桿、鎖扣及鎖扣加強板、鉸鏈加強板和鉸鏈總成等多個部件組成的復(fù)雜總成系統(tǒng)，其造型直接影響汽車的整體視覺效果，與整車空氣動力學(xué)特性也有直接關(guān)系。發(fā)動機罩的主要作用是保護發(fā)動機，同時具有隔熱和隔音效果。[12]發(fā)動機罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮外板的造型效果和基本的剛度要求，還需要滿足行人保護、NVH和耐久性等各方面的性能要求。

基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計算法簡單快捷，因此在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但這種方法無法考慮動態(tài)響應(yīng)造成的疲勞損傷，對門蓋等易產(chǎn)生振動部件的疲勞損傷計算精度不高。針對某車型在整車耐久路試過程中發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點開裂問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法計算疲勞損傷，成功復(fù)現(xiàn)并最終解決發(fā)動機罩焊點開裂的問題。采用模態(tài)瞬態(tài)法進行疲勞計算，能較好地預(yù)測焊點振動疲勞開裂問題，為其他項目類似問題的解決提供參考，也為后續(xù)新項目的開發(fā)提供新的方法和思路。

1 焊點開裂問題分析

1.1 開裂問題描述

在某車型整車路試耐久試驗過程中，試驗進行約40%時，檢查發(fā)現(xiàn)3臺試驗車均出現(xiàn)發(fā)動機罩左、右鉸鏈加強板焊點開裂問題，

開裂焊點位置左右對稱，每側(cè)有3處焊點開裂。

單側(cè)鉸鏈加強板實物的開裂位置見圖1（a），發(fā)動機罩鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布模型見圖1（b）。

鉸鏈加強板與發(fā)動機罩內(nèi)板局部特征平臺用焊點連接，共分布9個焊點;為增加加強板剛度，鉸鏈加強板邊緣設(shè)置一圈翻邊。

1.2 開裂原因分析

檢查試驗車發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點，確認(rèn)所有試驗車該處焊點無虛焊、過燒等問題，焊點質(zhì)量合格。

檢查問題試驗車發(fā)動機罩裝配狀態(tài)，確認(rèn)發(fā)動機罩的緩沖塊、密封條、鎖和鉸鏈等部件裝配狀態(tài)均正常。

在設(shè)計階段，采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法仿真分析整車焊點疲勞損傷，發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點疲勞損傷計算結(jié)果見圖2。焊點疲勞損傷值均較小，焊點損傷最大值為3.1×10-2，遠(yuǎn)小于焊點損傷目標(biāo)值1?？傮w來看，試驗車出現(xiàn)開裂的3個焊點疲勞損傷值明顯高于周圍其他焊點，仿真焊點損傷分布趨勢與試驗車焊點損傷分布趨勢一致。這說明雖然車輪載荷相位差會導(dǎo)致車身彎扭變形，使發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點產(chǎn)生疲勞損傷，但該損傷值比較小，不足以導(dǎo)致焊點疲勞開裂。因此，推測可能是焊點疲勞損傷仿真分析沒有完全涵蓋發(fā)動機罩所有的受力工況，導(dǎo)致計算的發(fā)動機罩焊點損傷值偏小。

疲勞損傷計算結(jié)果

在汽車行駛過程中，各部件會受到交變載荷作用產(chǎn)生疲勞損傷。基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計算方法具有簡便快捷的優(yōu)點，當(dāng)激勵載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的最低階模態(tài)固有頻率相差較大時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與激勵載荷之間是線性對應(yīng)關(guān)系[3]，因此基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計算方法對于沒有動態(tài)響應(yīng)的車身耐久性能計算精度比較高。但是，當(dāng)激勵載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某階模態(tài)固有頻率比較接近時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較強的共振，此時結(jié)構(gòu)應(yīng)力與激勵載荷之間不再是線性對應(yīng)關(guān)系[3]，基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計算方法無法考慮共振成分，因此計算精度降低。在汽車的各部件中，

發(fā)動機罩屬于易振動部件。在汽車行駛過程中，發(fā)動機罩會受到來自路面的激勵，路面載荷的激振頻率一般為1～30 Hz[46]，因此推測該焊點開裂可能是由于發(fā)動機罩受到路面激勵導(dǎo)致焊點產(chǎn)生振動疲勞，而設(shè)計階段采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法計算整車疲勞性能，未預(yù)測到該發(fā)動機罩焊點開裂問題。

2 焊點開裂問題復(fù)現(xiàn)

模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法是基于模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析的一種疲勞分析方法。目前，國外先進主機廠如沃爾沃、福特等均使用該方法計算整車疲勞性能，效果較好。瞬態(tài)響應(yīng)分析是計算結(jié)構(gòu)在隨時間變化的載荷作用下的響應(yīng)，屬于時域分析，可以直接反映振動問題。[7]模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析是利用模態(tài)向量對耦合的動力學(xué)方程進行解耦，然后再由單個的模態(tài)響應(yīng)進行疊加得到問題的最終結(jié)果[8]，計算過程如下。

對于無阻尼系統(tǒng)，其動力學(xué)方程為

式中：mi為第i個模態(tài)質(zhì)量;ki為第i個模態(tài)剛度;Pi（t）為第i個模態(tài)力。

通過求解一系列單自由度系統(tǒng)運動方程，可得到各階模態(tài)的模態(tài)坐標(biāo)，將各階模態(tài)向量和對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)按照式（2）進行疊加計算，可得到瞬態(tài)響應(yīng)分析的最終結(jié)果。

根據(jù)模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析的理論求解過程，建立模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算流程，見圖3。

利用車輪六分力傳感器測試技術(shù)采集試驗車路試的輪心道路載荷譜，并將獲得的輪心載荷譜輸入到整車多體動力學(xué)仿真模型中。通過載荷虛擬迭代技術(shù)獲取作用在車身與底盤接附點上的載荷譜，并據(jù)此對整車進行模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析，輸出模態(tài)坐標(biāo)。同時，通過整車模態(tài)分析輸出模態(tài)節(jié)點力，將各階模態(tài)振型對應(yīng)的模態(tài)節(jié)點力和根據(jù)動力學(xué)方程求解的模態(tài)坐標(biāo)時間歷程進行疊加計算，得到焊點動態(tài)應(yīng)力時間歷程。使用雨流計數(shù)法對不同應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù)進行統(tǒng)計，根據(jù)Miner線性損傷累積法則（式（5）），結(jié)合焊點疲勞壽命曲線計算焊點疲勞損傷。

式中：D為總疲勞損傷;l為交變載荷的應(yīng)力水平總數(shù);ni為第i個應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為第i個應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

使用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法重新計算發(fā)動機罩焊點的疲勞損傷，并與準(zhǔn)靜態(tài)法的計算結(jié)果進行對比，見表1。

2種計算方法得到的

試驗車開裂的3個焊點疲勞損傷值分布規(guī)律一致，開裂焊點3的疲勞損傷值最大，開裂焊點1的疲勞損傷值次之，開裂焊點2的疲勞損傷值最小。模態(tài)瞬態(tài)法得到的3個焊點疲勞損傷值較準(zhǔn)靜態(tài)

法的計算結(jié)果有大幅增加，其中：開裂焊點1和開裂焊點3的疲勞損傷值均超過損傷目標(biāo)值，與試驗車開裂情況一致;開裂焊點2疲勞損傷未超過損傷目標(biāo)值，沒有開裂風(fēng)險，考慮試驗車可能是焊點1和焊點3先開裂，進而導(dǎo)致焊點2開裂。這也證明前文推測的正確性，即發(fā)動機罩鉸鏈加強板焊點開裂是由于路面激勵導(dǎo)致的振動疲勞開裂。

3 優(yōu)化方案

由于整車狀態(tài)下模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算用時較長，而振動疲勞問題一般與部件某階模態(tài)相關(guān)，因此先從模態(tài)應(yīng)變能的角度初步優(yōu)化鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布，再用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法在整車模型中對焊點疲勞損傷進行驗證，以提高優(yōu)化效率。

基礎(chǔ)發(fā)動機罩內(nèi)板鉸鏈安裝區(qū)域的1階模態(tài)應(yīng)變能見圖4。由此可知，該區(qū)域應(yīng)變能較大的位置主要集中在試驗車出現(xiàn)焊點開裂的位置，并且應(yīng)變能的分布規(guī)律與焊點疲勞損傷計算結(jié)果一致。針對本例的焊點振動疲勞開裂問題，發(fā)動機罩1階模態(tài)應(yīng)變能的分布可以間接反映焊點疲勞損傷的分布規(guī)律，證明從模態(tài)應(yīng)變能的角度優(yōu)化鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布具有可行性。

原發(fā)動機罩鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布見圖1（b）。原鉸鏈加強板整車坐標(biāo)系下的x向長度較短、y向平面覆蓋范圍較大，周邊設(shè)有翻邊增加加強板剛度，并且后鉸鏈安裝孔距離加強板邊緣較近，導(dǎo)致加強板x向邊緣局部剛度不連續(xù)，而發(fā)動機罩1階模態(tài)振型為后端整體z向彎曲振型，因此發(fā)動機罩內(nèi)板在鉸鏈加強板x向邊緣焊點周邊的模態(tài)應(yīng)變能較大。針對以上分析，對發(fā)動機罩鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點分布進行優(yōu)化，具體方案見圖5（a）：一方面，沿x向加長加強板并增加焊點連接，使x向局部剛度平緩過渡，同時前鉸鏈螺栓安裝點沿x向前移10 mm，增加2個螺栓安裝孔的跨度;另一方面，減小加強板平面區(qū)域y向?qū)挾?，同時增大其y向與發(fā)動機罩內(nèi)板折邊的搭接面，并增加焊點連接，提升內(nèi)板折邊區(qū)域局部剛度。計算得到優(yōu)化方案發(fā)動機罩的1階模態(tài)頻率為28.7 Hz，較原模型提升2.0 Hz。優(yōu)化后的發(fā)動機罩內(nèi)板鉸鏈安裝區(qū)域模態(tài)應(yīng)變能分布見圖5（b）。由此可知，發(fā)動機罩內(nèi)板與鉸鏈加強板連接的焊點附近應(yīng)變能集中現(xiàn)象消失，最大應(yīng)變能較優(yōu)化前明顯降低，最大應(yīng)變能位置為鉸鏈螺栓安裝孔周邊，這主要是由模擬螺栓連接的剛性單元連接導(dǎo)致的，因此推測此優(yōu)化方案可有效降低焊點振動疲勞損傷。

用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法驗算發(fā)動機罩優(yōu)化方案焊點的疲勞損傷，結(jié)果見圖6。焊點最大疲勞損傷值為4.4×10-2，遠(yuǎn)小于焊點疲勞損傷目標(biāo)值1，優(yōu)化方案的焊點疲勞壽命約為優(yōu)化前的250倍，因此可認(rèn)為此優(yōu)化方案的疲勞損傷安全系數(shù)較高，滿足目標(biāo)要求。

計算結(jié)果

采用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計算方法計算整車狀態(tài)下發(fā)動機罩的焊點疲勞損傷，使用高性能服務(wù)器完成一輪計算需要5～6 h，而以相同的計算資源計算發(fā)動機罩模態(tài)只需要10 min左右，根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能的分布情況對結(jié)構(gòu)進行迭代優(yōu)化的方法可顯著提高優(yōu)化的工作效率。目前，對鉸鏈加強板結(jié)構(gòu)和焊點排布的優(yōu)化主要是采用以經(jīng)驗為主、模態(tài)應(yīng)變能為輔的方法，最終的優(yōu)化方案并不一定是最優(yōu)方案，也不是唯一方案，如何找到性價比最高的最優(yōu)方案是下一步工作的重點。

4 發(fā)動機罩其他相關(guān)性能驗算

對變更發(fā)動機罩鉸鏈加強板可能影響的發(fā)動機罩其他性能進行驗證，重點關(guān)注發(fā)動機罩模態(tài)頻率、角點剛度和扭轉(zhuǎn)剛度3項性能，結(jié)果見表2。優(yōu)化后的發(fā)動機罩1階模態(tài)頻率、角點剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均滿足目標(biāo)值，并較優(yōu)化前有所提升，其中1階模態(tài)頻率和角點剛度提升明顯。

發(fā)動機罩優(yōu)化方案的各項相關(guān)性能驗證達標(biāo)后，使用優(yōu)化方案對試驗車進行整改，新車順利完成新一輪的整車道路耐久試驗，未出現(xiàn)焊點開裂問題，證明優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

基于模態(tài)瞬態(tài)法的疲勞計算方法能更好地預(yù)測發(fā)動機罩等易產(chǎn)生振動部件的疲勞損傷，而對于沒有動態(tài)響應(yīng)的車身耐久性能計算，使用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計算方法性價比更高。

在設(shè)計階段采用2種疲勞計算方法相結(jié)合的方式，分別計算車身和門蓋等易振動部件的疲勞損傷，可以更有效地規(guī)避疲勞開裂問題。

對于振動疲勞開裂問題，先根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能的分布情況對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，然后通過基于模態(tài)瞬態(tài)法的疲勞計算方法驗算優(yōu)化方案，可以顯著提高優(yōu)化工作效率。

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（編輯 武曉英）