李訪，路小東，胡冬青，蔣明濤，劉立群，陳東

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

在汽車的使用過程中，車門作為乘客進(jìn)出的唯一通道，使用非常頻繁，其安全性和耐久性能極其關(guān)鍵。為模擬乘客上下車使用車門的工況，各個主機(jī)廠都制定了車門耐久的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和性能目標(biāo)。在新車型研發(fā)過程中，一方面，通過有限元法，進(jìn)行CAE分析其耐久性能；另一方面，通過樣車進(jìn)行車門耐久試驗(yàn)，確保其耐久性能符合公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

本文作者以某車型項(xiàng)目為基礎(chǔ)，利用有限元法對車門開閉耐久試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，分析其耐久性能，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。針對車門在耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂的問題，分析其焊點(diǎn)開裂的原因，并提出3種優(yōu)化方案，最終選擇一種最優(yōu)方案，通過驗(yàn)證確認(rèn)滿足車門耐久性能目標(biāo)。通過該問題的解決，總結(jié)了汽車車門結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊點(diǎn)布置的若干經(jīng)驗(yàn)，建立和完善開閉耐久工況下焊點(diǎn)疲勞壽命的分析方法和標(biāo)準(zhǔn)，對后續(xù)項(xiàng)目車門研發(fā)具有非常重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 問題描述

某車型車門耐久性能目標(biāo)為N萬次，而在試制階段開閉耐久試驗(yàn)中，左前門試驗(yàn)0.7*N萬次后，車門窗框與內(nèi)板搭接處出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂， 右前門試驗(yàn)0.9*N萬次后，對稱位置焊點(diǎn)也出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)車輛未達(dá)成設(shè)定的耐久性能目標(biāo)。焊點(diǎn)開裂問題現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 焊點(diǎn)開裂問題現(xiàn)狀

2 原因分析

2.1 焊點(diǎn)方面

在試驗(yàn)前已進(jìn)行車門鈑金焊點(diǎn)檢測，該處焊點(diǎn)外觀正常，無虛焊、燒穿、咬邊、扭曲、凹痕過深等不良現(xiàn)象，采用超聲波設(shè)備檢測，該處焊點(diǎn)焊核直徑如表1所示，左、右前門焊點(diǎn)均滿足公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 開裂焊點(diǎn)的焊核直徑

2.2 試驗(yàn)工況

此次試驗(yàn)處于軟模試制階段，試驗(yàn)車輛基本滿足該階段試驗(yàn)要求，試驗(yàn)場地、設(shè)備，以及試驗(yàn)方法均正常無誤，試驗(yàn)結(jié)果可靠有效。因此，初步分析焊點(diǎn)開裂的原因?yàn)椋捍翱蚺c內(nèi)板搭接局部連接強(qiáng)度不足，以及焊點(diǎn)應(yīng)力集中導(dǎo)致耐久后開裂。

2.3 CAE分析

2.3.1 建立有限元模型

以車門及周邊件為研究對象，搭建有限元模型，如圖2所示。

圖2 搭建有限元模型

該模型包括車身結(jié)構(gòu)模型，車門鈑金及其附件模型(附件如玻璃及升降器，密封條及內(nèi)外水切，鎖及鎖環(huán)，緩沖塊等)，以及焊點(diǎn)模型。尤其是焊點(diǎn)模型，在NASTRAN軟件中, 焊點(diǎn)可由多種不同的單元類型來模擬。由于涉及到焊點(diǎn)疲勞壽命的計算，采用FEMFAT焊點(diǎn)模型，用這些焊點(diǎn)單元傳遞的力和力矩來計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力, 此應(yīng)力為圍繞焊點(diǎn)熔核和連接板的局部應(yīng)力。再利用ncode分析軟件，按照S-N疲勞壽命分析方法, 用這些結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)測焊點(diǎn)的疲勞壽命。在進(jìn)行模擬仿真時，以車身為固定部分，車門為活動部分，車門在指定位置以某一初速度繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)模擬關(guān)門工況，同時，還需根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模擬玻璃全閉/半開/全開等不同工況。

2.3.2 CAE分析結(jié)果

根據(jù)CAE分析模擬，在整個關(guān)門過程中，前門鈑金該處焊點(diǎn)周圈內(nèi)板最大應(yīng)力為153.2 MPa，前門開閉耐久壽命最終結(jié)果如圖3所示，該處焊點(diǎn)最小壽命為4.5萬次，不滿足N萬次耐久要求。

圖3 前門開閉耐久分析結(jié)果

根據(jù)上述分析過程，該處焊點(diǎn)質(zhì)量和試驗(yàn)工況均滿足試驗(yàn)要求，主要原因可能是以下兩個方面：

(1)此區(qū)域焊點(diǎn)布置不合理，導(dǎo)致該處焊點(diǎn)周圈應(yīng)力偏大，在耐久時疲勞失效；

(2)此區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏弱，無法滿足耐久試驗(yàn)性能要求，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 制定對策

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述原因解析，結(jié)合目前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模具進(jìn)展(窗框內(nèi)外板已開硬膜，車門內(nèi)板和鎖加強(qiáng)板均為軟模)，提出3個優(yōu)化方案，如圖4所示。

原方案：此處布置有兩層焊點(diǎn)1個(⑤號為窗框內(nèi)外板預(yù)焊焊點(diǎn))，三層焊點(diǎn)5個；

方案1：焊點(diǎn)優(yōu)化，不改零件：③號改為兩層焊點(diǎn)，⑤號改為三層焊點(diǎn)，使⑤號焊點(diǎn)分散⑥號焊點(diǎn)的局部應(yīng)力，提高焊點(diǎn)疲勞壽命；

方案2：鎖加強(qiáng)板優(yōu)化，窗框內(nèi)外板局部修模，同時調(diào)整焊點(diǎn)布置；

方案3：窗框結(jié)構(gòu)優(yōu)化，窗框內(nèi)外板增加翻邊和焊點(diǎn)，窗框內(nèi)外板需重開模具。

圖4 焊點(diǎn)開裂原方案及優(yōu)化方案

3.2 CAE分析結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化方案，重新調(diào)整有限元模型，得出相應(yīng)的分析結(jié)果如圖5所示，對比分析如表2所示。

圖5 各方案CAE分析結(jié)果

表2 各方案焊點(diǎn)壽命對比分析

3.3 確定方案

根據(jù)上述優(yōu)化方案分析結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及模具進(jìn)展，對比分析如表3所示。經(jīng)綜合評價，最終選定成本較低的方案2為對策方案，在下批次樣車進(jìn)行驗(yàn)證。

表3 各方案綜合對比分析

4 方案驗(yàn)證

按照前述方案2進(jìn)行樣車試制和準(zhǔn)備，并搭載第二輪車門開閉耐久試驗(yàn)，經(jīng)過N次耐久試驗(yàn)后，車門鈑金及焊點(diǎn)均無開裂現(xiàn)象，耐久性能滿足公司標(biāo)準(zhǔn)，方案2驗(yàn)證可行，耐久后現(xiàn)狀如圖6所示。

圖6 方案2耐久試驗(yàn)后現(xiàn)狀

5 結(jié)論

針對車門窗框焊點(diǎn)開裂的問題，提出了3種優(yōu)化方案，通過對比3種優(yōu)化方案和分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1)在結(jié)構(gòu)不做變更的前提下，焊點(diǎn)局部區(qū)域追加焊點(diǎn)，增加連接強(qiáng)度，分散焊點(diǎn)應(yīng)力，可以有效降低該區(qū)域焊點(diǎn)應(yīng)力和提高焊點(diǎn)疲勞壽命；

(2)在局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏弱的情況下，有時僅僅增加焊點(diǎn)并不能完全解決問題，需要提升局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時優(yōu)化焊點(diǎn)布置，才能有效降低該區(qū)域焊點(diǎn)應(yīng)力和提高焊點(diǎn)疲勞壽命；

(3)通過分析對比，方案3疲勞壽命明顯優(yōu)于方案2。當(dāng)車門關(guān)閉時窗框會發(fā)生振動，而窗框搭接處的焊點(diǎn)受力主要為垂直于玻璃的方向，此時焊點(diǎn)受焊接面切向剪切力比受法向力更有利于焊點(diǎn)的疲勞壽命。

綜上所述，在設(shè)計過程中，零件和焊點(diǎn)的耐久性能是可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及焊點(diǎn)布置來保障的，前期根據(jù)開閉耐久工況下焊點(diǎn)疲勞壽命的有限元分析方法進(jìn)行CAE分析，可以盡早預(yù)判，很好地避免后期試驗(yàn)出現(xiàn)問題，真正做到節(jié)能增效。通過該問題的解決，總結(jié)了汽車車門結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊點(diǎn)布置的若干經(jīng)驗(yàn)，建立和完善開閉耐久工況下焊點(diǎn)疲勞壽命的分析方法和標(biāo)準(zhǔn)，對后續(xù)項(xiàng)目車門研發(fā)具有非常重要的指導(dǎo)和借鑒意義。