譚曉蕾 宋豪

摘 要：某車企研發(fā)的一款新車型在進(jìn)行耐久路試試驗(yàn)過程中，日常檢查發(fā)現(xiàn)尾門鉸鏈安裝位置焊點(diǎn)開裂一處。在試驗(yàn)過程中發(fā)生的開裂，表明該位置零件結(jié)構(gòu)耐久性能沒有滿足預(yù)期目標(biāo)要求，需要對(duì)該零件進(jìn)行原因分析并提出針對(duì)性的解決方案。利用路試中采集到的動(dòng)載信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效處理，結(jié)合有限元耐久仿真軟件手段，對(duì)尾門進(jìn)行耐久壽命仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，提出提升尾門焊點(diǎn)壽命的有效方案，為車型成功研發(fā)提供支持。

關(guān)鍵詞：尾門;開裂;鉸鏈;焊點(diǎn);耐久仿真

Abstract： During the durability road test of a new model developed by an automobile company， a crack was found at the welding spot of the installation position of the tailgate hinge in the daily inspection. The cracking occurred in the process of the test indicates that the durability of the part structure at this location does not meet the expected requirements. It is necessary to analyze the cause of the part and put forward the corresponding solutions. Using the dynamic load signal collected in the road test， the signal is effectively processed. Combined with the finite element durability simulation software， the durability life of the tailgate is simulated. According to the calculation data， the comprehensive evaluation is carried out， and an effective scheme to improve the life of the tailgate welding point is proposed， which provides support for the successful research and development of the vehicle model.

Keywords： Tailgate; Cracking; Hinge; Welding spot; Durability simulation

引言

尾門作為汽車重要的總成，汽車尾門在現(xiàn)實(shí)情況中所受到的工況復(fù)雜眾多，使用有限元仿真手段可以快速計(jì)算汽車零件的各種性能，在研發(fā)過程中，較大縮短開發(fā)周期。對(duì)于汽車尾門問題，在實(shí)際過程中，難以對(duì)用戶使用的所有工況仿真分析并進(jìn)行性能評(píng)估。在沒有動(dòng)態(tài)載荷輸入的情況下，僅通過準(zhǔn)靜態(tài)手段評(píng)估尾門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耐久性能極有可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)論不夠嚴(yán)謹(jǐn)。尾門總成各零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耐久性能一直是汽車企業(yè)所關(guān)注的重要問題。

在原有仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合尾門耐久仿真分析數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估尾門零件結(jié)構(gòu)耐久性能的思路，可以為后期相同車型開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

1 理論優(yōu)劣評(píng)估

零件結(jié)構(gòu)疲勞耐久是一個(gè)復(fù)雜的問題，在不考慮結(jié)構(gòu)本身因素情況下，同種結(jié)構(gòu)的壽命影響因素眾多，如溫度、濕度、外界作用力等。較多情況下，零件在使用過程中會(huì)承受外界循環(huán)載荷的作用，零件的疲勞是一個(gè)從裂紋萌生、擴(kuò)展、最終斷裂的過程。

對(duì)結(jié)構(gòu)耐久評(píng)估的理論較多，較早期的是邁因那（Miner）線性理論，該理論的思路需要幾個(gè)重要的數(shù)據(jù)：外界循環(huán)加載下所產(chǎn)生的歷史應(yīng)力水平、各應(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的疲勞壽命、各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)[1]?；竟綖椋?/p>

式中：D為總的損傷量;l為變幅載荷的應(yīng)力水平等級(jí); ni為第i級(jí)載荷的循環(huán)次數(shù); Ni為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命。

在實(shí)際情況中發(fā)現(xiàn)，外界載荷大小的加載順序?qū)α慵膲勖休^大影響，Miner線性理論顯然考慮不足。在疲勞耐久理論發(fā)展過程中，非線性損傷理論的產(chǎn)生，能相對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估零件的壽命，但該理論在計(jì)算方法及時(shí)間上都較為復(fù)雜;雙線性損傷理論能較好解決非線性損傷過于復(fù)雜且線性損傷理論過于簡(jiǎn)單的問題[2]。

2 問題提出

車企研發(fā)新款車型，新車進(jìn)行路試試驗(yàn)里程36200公里時(shí)發(fā)現(xiàn)尾門鉸鏈焊點(diǎn)位置開裂，發(fā)現(xiàn)開裂時(shí)里程為路試目標(biāo)里程90.5%左右，焊點(diǎn)位置裂紋有擴(kuò)展趨勢(shì)，如圖1：

對(duì)開裂路試車及相同批次路試車性進(jìn)行統(tǒng)一考察發(fā)現(xiàn)，該尾門鉸鏈各安裝點(diǎn)位置焊點(diǎn)無虛焊、漏焊問題，焊點(diǎn)質(zhì)量滿足要求，開裂位置也并未發(fā)現(xiàn)鈑金劃痕、起皺等現(xiàn)象，初步判定開裂原因與制造無關(guān)。對(duì)尾門進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久仿真計(jì)算，結(jié)合仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)該問題進(jìn)行評(píng)估成為解決開裂問題的較好思路。

3 尾門靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

新車型開發(fā)過程中，在無動(dòng)態(tài)載荷輸入的情況下，可以根據(jù)汽車尾門較多工況中的典型極限工況進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真，并用企業(yè)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能評(píng)估。汽車尾門為汽車開閉件，尾門作用為封閉汽車后部，保護(hù)行人、行李。日常使用中，在尾門氣彈簧協(xié)助下開啟、閉合，主要承受氣彈簧的作用力。

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)尾門進(jìn)行有限元建模。尾門鉸鏈開裂區(qū)域網(wǎng)格需進(jìn)行關(guān)鍵處理，避免三角形網(wǎng)格的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真應(yīng)力云圖如圖2：

準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尾門鉸鏈焊點(diǎn)開裂位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為167.7MPa，尾門內(nèi)板材料為BLC材料，材料的屈服極限強(qiáng)度為180MPa左右，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)尚且有一定安全裕度。考慮到材料在制造過程中，焊接時(shí)局部受熱會(huì)對(duì)材料晶體產(chǎn)生一定影響，會(huì)導(dǎo)致材料性能有一定的不穩(wěn)定性。在仿真軟件中無法考慮這種因素的影響。

4 提出解決思路

根據(jù)尾門壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)里程及尾門開裂時(shí)里程考慮，開裂時(shí)里程為目標(biāo)里程的90.5%左右，即可認(rèn)為目前尾門壽命為目標(biāo)壽命的90.5%，需在此基礎(chǔ)上將壽命提升百分之十以上方能滿足設(shè)計(jì)要求。尾門路試狀態(tài)結(jié)構(gòu)耐久仿真數(shù)據(jù)在本次問題解決思路上成為關(guān)鍵前提。

4.1 尾門動(dòng)態(tài)載荷

尾門為在路試過程中發(fā)生的開裂，對(duì)其進(jìn)行耐久仿真，則要得到路試試驗(yàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)載荷輸入。一般汽車動(dòng)載荷提取需要得到汽車4個(gè)軸頭的六分力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后加載到動(dòng)力學(xué)懸架模型中進(jìn)行關(guān)鍵硬點(diǎn)提載得到動(dòng)態(tài)載荷[3]。

尾門不是底盤零件，若要通過剛?cè)狁詈戏椒▽⑽查T放到動(dòng)力學(xué)懸架模型中進(jìn)行提載，因涉及到尾門及底盤間眾多連接的誤差，會(huì)造成模型載荷的較大不準(zhǔn)確性，因此直接在尾門關(guān)鍵位置貼加速度傳感器，采用該方式得到的信號(hào)作為耐久仿真的動(dòng)態(tài)輸入更為有說服力。

4.2 耐久方法選擇

疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法有多種，S-N方法被稱為基于應(yīng)力的壽命方法。汽車車身的零件較多，零件在外界力作用下，會(huì)有由彈性變形到塑性變形的變化過程。S-N法在零件彈性階段的應(yīng)力以及應(yīng)變存在的情況下可以較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零件的壽命。在汽車研發(fā)中，汽車較多零件要經(jīng)過沖壓及其他工藝，零件會(huì)存在缺口。在拼接時(shí)會(huì)使用到焊接等技術(shù)，由于缺口、焊縫的存在，零件本身會(huì)存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致零件局部塑性變形，E-N壽命預(yù)測(cè)方法能夠?qū)@種情況能有效考慮[4]。

4.3 結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力結(jié)果

在耐久仿真分析中，零件的材料特性是影響壽命的重要因素，材料壽命特性曲線可以通過做樣件試驗(yàn)得到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擬合。企業(yè)在沒有做樣件試驗(yàn)的情況下，可以根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)及公式進(jìn)行大致計(jì)算得到。在較多耐久仿真軟件中都會(huì)有材料壽命特性曲線的數(shù)據(jù)庫，通常情況下可以根據(jù)需要自行在數(shù)據(jù)庫中選擇。在nCode軟件材料數(shù)據(jù)庫有較多的材料種類，可以滿足一部分工程應(yīng)用中。

在耐久計(jì)算前，需得到尾門單位工況加載得到的應(yīng)力結(jié)果，將結(jié)果導(dǎo)入nCode中，疊加實(shí)測(cè)動(dòng)載，并設(shè)計(jì)好目標(biāo)循環(huán)次數(shù)，則可以得到壽命結(jié)果。尾門鉸鏈位置焊點(diǎn)耐久計(jì)算結(jié)果如圖3：

企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為焊點(diǎn)損傷不能超過1，據(jù)耐久仿真結(jié)果，開裂位置焊點(diǎn)最大損傷為1.32，循環(huán)次數(shù)為0.76次，不滿足企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 優(yōu)化方案思路

在設(shè)計(jì)過程中，汽車長(zhǎng)度方向?yàn)閄向，寬度方向?yàn)閅向，垂直地面方向?yàn)閆向。結(jié)合實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)分析，在汽車行駛過程中，受路面激勵(lì)的影響，且尾門鉸鏈為繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，尾門在X向存在較大的波動(dòng)。考慮到該車型尾門成本及設(shè)計(jì)空間考慮，對(duì)開裂問題暫不考慮從零件結(jié)構(gòu)上做變更。尾門鉸鏈位置主要靠焊點(diǎn)及螺栓傳力，考慮在尾門鉸鏈位置增加一個(gè)焊點(diǎn)，并增加結(jié)構(gòu)膠，減少每個(gè)焊點(diǎn)單位受力，減少尾門內(nèi)板X向的法向受力，使局部受力更加均勻的方案，優(yōu)化狀態(tài)下圖4。對(duì)該方案進(jìn)行再次耐久分析，結(jié)果如圖5：

優(yōu)化方案耐久仿真計(jì)算后，壽命由原0.76次提高到4.34E9次，滿足企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過企業(yè)研究決定考慮實(shí)施該方案。

6 結(jié)論

（1）車門系統(tǒng)工況較為復(fù)雜，準(zhǔn)靜態(tài)典型極限工況仿真方法得到的數(shù)據(jù)難以較為全面評(píng)估車門的使用性能。動(dòng)態(tài)加載的耐久仿真則可以彌補(bǔ)這一缺陷，為車門系統(tǒng)性能評(píng)估提供多一種數(shù)據(jù)支持。

（2）有限元仿真每個(gè)環(huán)節(jié)輸入都可能帶來不可避免的誤差，在仿真中應(yīng)盡量在建模環(huán)節(jié)盡可能與實(shí)際相符合，不能做較多簡(jiǎn)化工序;信號(hào)采集要采集多組數(shù)據(jù)，后續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比后挑出較好的進(jìn)行后續(xù)處理及輸入。

（3）誤差不可避免，耐久仿真數(shù)據(jù)難以與實(shí)際情況完全相符，仿真計(jì)算得到的數(shù)據(jù)趨勢(shì)指向能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供較好的建議。

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