張巖,盧生林,王婭

(奇瑞汽車股份有限公司，試驗和整車工程中心，安徽省汽車NVH與可靠性重點實驗室,安徽蕪湖 241009)

0 引言

由于機械構件在運行條件復雜、環(huán)境惡劣、長期的復雜載荷下容易產(chǎn)生疲勞損傷與缺陷，使其在沒有發(fā)生明顯塑性變形的情況下發(fā)生疲勞斷裂，因此在機械裝備運行中易導致惡性事故發(fā)生，尤其在航空航天、鐵路運輸、船舶、汽車、橋梁等關系到國計民生的重要領域[1]，統(tǒng)計資料也顯示近年來重大裝備與結構系統(tǒng)的斷裂失效事件相繼發(fā)生，80%～90%的結構失效是由疲勞破壞引起的[2-3]。

汽車的后背門是車身重要的系統(tǒng)之一，后背門除了要滿足汽車造型的需要，更要滿足作為開啟件的功能要求。日常使用時，需要經(jīng)常拿取物品，導致后背門的開閉頻率較高。另外，由于使用時條件較為惡劣、開閉后背門的速度較大、設計不合理等因素的影響，導致后背門的疲勞破壞。目前，解決后背門耐久性能問題的有限元分析方法，主要依賴于靜強度分析，通過特定典型工況下，其最大應力是否超過屈服極限來判斷。這種方法不能完全預測疲勞失效風險和焊點的失效，局限性較強。

本文作者旨在解決并優(yōu)化某SUV車型的后背門在開閉耐久性能試驗焊點失效問題，建立了一種基于瞬態(tài)響應分析的后背門疲勞有限元分析方法。有限元分析結果成功復現(xiàn)了耐久性能試驗中的開裂問題，通過對開裂方案的傳力路徑分析，獲得優(yōu)化方案，優(yōu)化方案最終通過有限元分析與后續(xù)耐久試驗的驗證。因此，疲勞仿真結果與開閉耐久性能試驗之間存在較好的相關性。

1 后背門開閉耐久試驗

1.1 后背門開閉耐久試驗介紹

汽車在上市前，都要通過后背門開閉耐久性能試驗的驗證，試驗的主要過程是在后背門完全開啟的狀態(tài)下，對后背門施加初始速度，在后背門完全關閉的同時，鎖機構也能完全處于鎖死的狀態(tài)，以此過程作為一個完整的循環(huán)，經(jīng)過規(guī)定的若干循環(huán)后，如果后背門不出現(xiàn)疲勞耐久問題，就認為后背門開閉耐久性能滿足要求。后背門的開閉耐久性能要求，一般是模擬十年的使用壽命，對于后背門耐久性能試驗開閉的目標次數(shù)，不同的公司有著不同的標準，一般推薦后背門的耐久性能試驗開閉次數(shù)以30 000次為目標[4]。

1.2 后背門開閉耐久性能試驗

某SUV車型后背門開閉耐久性能試驗工裝圖如圖1所示。

圖1 后背門耐久開閉性能試驗工裝圖

完成30 000次試驗后，檢查發(fā)現(xiàn)后背門鎖加強板與內板搭接處的兩個焊點開裂。兩個開裂焊點的位置如圖2所示。

圖2 鎖安裝點處兩個焊點開裂

2 有限元分析理論及流程

2.1 瞬態(tài)動力學分析理論

瞬態(tài)動力學分析(也稱時間歷程分析)用于確定結構承受隨時間變化載荷作用的動力學響應[5]。瞬態(tài)動力學分析包括瞬態(tài)響應分析和固有特征分析。在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下，應用瞬態(tài)動力學分析方法可以確定結構隨時間變化的位移、應變、應力及力等參數(shù)。瞬態(tài)響應分析屬于動力學的分析范疇，與靜力分析有著本質區(qū)別，動力學分析需要考慮隨時間變化的載荷以及阻尼和慣性的影響[6]。當阻尼和慣性對分析結果影響非常小時，才可以采用靜力分析。

2.2 疲勞分析理論

疲勞是零部件在循環(huán)載荷作用下，局部損傷產(chǎn)生的過程。累積損傷法則的疲勞壽命預測分析，是指當應力高于材料的疲勞極限時，每一次循環(huán)載荷都會對其產(chǎn)生損傷，且不可逆、可累計，當總損傷累積到一定的臨界值時，疲勞破壞就會產(chǎn)生。在汽車領域中，特別是汽車的結構，疲勞損傷累積的方法被廣泛地應用。

2.2.1 基于名義結構應力的焊點疲勞壽命預測模型

文中計算焊點疲勞壽命采用名義結構應力法，因為名義結構應力法不需要建立精細的焊點模型，只需要通過焊點焊核橫截面的力和力矩以及薄膜和梁理論計算出局部的結構應力，不需要對焊點網(wǎng)格進行細化，具有較好的經(jīng)濟性和準確性。文中計算焊點疲勞壽命所采用的名義結構應力法基于NAKAHARA[7]在2000年提出了一種基于名義結構應力來評估焊點壽命的方法，采用理論公式計算得到的應力，與采用精細化有限模型計算得到的應力保持了較好的一致性，相比于最早RUPP[8]采用名義結構應力法引入了約束直徑D的概念，根據(jù)不同的受力結構類型與分析經(jīng)驗確定合理的約束直徑D也是至關重要的，最后再結合試驗所獲得的焊點樣件的S-N曲線，就能得到焊點的疲勞壽命，并且與試驗取得了較好的相關性。在直角坐標系和球面坐標系下焊點的焊核受力示意圖如圖3所示。

圖3 焊點模型

2.2.2 線性疲勞損傷累積理論

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過程。這是一個由包括零件裂紋萌生、擴展和最終斷裂等組成的累積過程所導致產(chǎn)生的綜合結果[9]。線性疲勞損傷累積理論在工程領域得到最廣泛的應用，這種理論認為：“材料的疲勞損傷在不同級別的應力下，是獨立進行的，不同級別的損傷通過線性疊加的方式，最后得到總的損傷”，其中最有代表性的是Miner疲勞損傷累積理論。當零件的應力水平高于對應材料的疲勞極限時，一個循環(huán)下造成的損傷是1/N,則n次恒幅載荷下所造成的損傷為n/N。變幅載荷下的計算疲勞損傷累計的公式為：

(1)

式中：i為變幅載荷的應力水平級數(shù)，ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

當總損傷值累積到臨界值D=1時，疲勞破壞產(chǎn)生[10]。

3 后背門有限元建模和仿真分析

3.1 有限元模型建立

截取模型應包括整個后背門、D柱以及相關關鍵件，如圖4所示。約束車身截取節(jié)點，后背門施加重力場。

圖4 車身及后背門有限元模型

3.1.1 密封條的簡化及模擬

密封條的內部結構非常復雜，所以在仿真過程中，要進行適當?shù)暮喕?。密封圈與后背門鈑金接觸部位采用剛體面模擬。密封圈的剛度以一定數(shù)量的彈簧單元模擬，彈簧單元均布在密封條的安裝位置上，彈簧剛度由試驗測得。此類方法建模簡單、計算效率高，且彈簧剛度由試驗測得，可與實際密封圈的剛度保持較好的相關性。簡化的密封條模型如圖5所示。

圖5 簡化的密封條模型

彈簧單元賦予密封條剛度曲線，由密封條剛度試驗確定，試驗測得密封條剛度曲線數(shù)據(jù)(兩組數(shù)據(jù))如圖6所示。

圖6 試驗測得密封條剛度曲線

3.1.2 鎖機構的簡化及模擬

建立背板、蓋板、鎖鉤和棘爪等零件的精細化有限元模型，這種模擬方法不僅能夠準確地模擬鎖機構的鎖死狀態(tài)，還能反映出鎖鉤在沖擊力的作用下，鎖機構鎖死后鎖鉤在鎖舌和棘爪間的振蕩，此過程更加接近實際過程，能更準確地反映鎖機構附近的真實應力。扭轉彈簧的剛度由試驗測得。簡化的鎖機構有限元模型如圖7所示。

圖7 簡化的鎖機構有限元模型

3.1.3 緩沖塊的簡化及模擬

緩沖塊的模擬方法與密封條類似，采用彈簧單元剛體面來模擬。彈簧單元通過剛性RBE2單元與緩沖塊安裝孔相連。緩沖塊實際結構與簡化模型如圖8所示。其中彈簧單元剛度曲線采用試驗測試的剛度曲線，試驗測得緩沖塊剛度曲線如圖9所示。

圖8 緩沖塊實際結構與簡化模型

圖9 試驗測得緩沖塊剛度曲線

3.2 瞬態(tài)響應分析和疲勞仿真分析

瞬態(tài)響應分析采用ABAQUS/EXPLICIT作為求解器，同時考慮幾何非線性、材料非線性、邊界非線性條件的影響，最終得到后背門在時間歷程下的瞬態(tài)應力結果。

FEMFAT軟件中的TRANSMAX模塊軟件中，運用雨流計數(shù)法，并根據(jù)焊點的S-N曲線和Miner線性疲勞損傷累積理論，對后背門進行疲勞分析。由公式(1)可知，疲勞損傷定義為疲勞壽命的倒數(shù)，一般認為疲勞損傷D>1，發(fā)生疲勞破壞。

后背門損傷云圖如圖10所示。其中在后背門開閉耐久試驗失效的兩個焊點1#和2#焊點的損傷值分別為9.54 >1和9.48>1，均大于目標值，如圖10所示。疲勞仿真結果與耐久試驗結果取得了較好的相關性。

圖10 1#焊點和2#焊點損傷值

4 優(yōu)化方案分析及試驗結果

4.1 失效原因分析

極限位置時，鎖機構沖擊鎖鉤，鎖鉤給予鎖機構的反向沖擊方向沿鎖機構向后背門內板及鎖加強板傳遞，傳力路徑如圖11中白色箭頭所示。

圖11 向下極限位置時力的傳力路徑

由于鎖機構與后背門內板存在一定夾角，所以沖擊力傳遞到焊點上的力可分解為焊點的拉壓力和剪切力，如圖11中黑色箭頭所示，所以開裂焊點既受拉壓力作用，也受剪切力作用，所以優(yōu)化方案以此為切入點，進行優(yōu)化改進。

4.2 優(yōu)化方案及疲勞分析結果

將鎖加強板沿著內板方向向下延伸，鎖加強板延伸部分與內板采用長度為160 mm的結構膠相連(由于焊接工藝原因此處不能用焊點連接)。結構膠的強度較高，能承受較大荷載，抗老化、抗疲勞、抗腐蝕能力強，在使用壽命內性能較為穩(wěn)定，適用于承受較大載荷的結構件黏接的膠黏劑，在車身上對于焊點或者焊縫不能連接部位，可以使用結構膠代替焊點或者焊縫連接，也能起到增加結構局部強度的目的。優(yōu)化方案示意圖如圖12所示。優(yōu)點在于，可以將鎖機構傳遞到內板和鎖加強板上的沖擊力，通過鎖加強板翻邊的延伸部分向下傳導，并通過鎖加強板與內板上的結構膠連接，傳遞到內板上，起到了沖擊力的分流作用，大大減輕4個焊點的承載負擔。

圖12 優(yōu)化方案

最終分析得到優(yōu)化方案的疲勞損傷結果，損傷云圖如圖13所示。由疲勞結果可知，由于力通過翻邊的延伸部分向下傳導，導致鈑金本體最大損傷位置下移到6#位置處，但損傷為0.48<1，滿足要求；1#焊點損傷值為0.03、2#焊點損傷值為0.03、4#焊點損傷值為0.07、5#焊點損傷值為0.14，4個焊點損傷值均小于目標值，滿足要求。

圖13 優(yōu)化方案疲勞損傷云圖

4.3 優(yōu)化方案開閉耐久試驗結果

對鎖加強板沖壓模具進行重新開發(fā)，最終得到與優(yōu)化方案CAD數(shù)據(jù)一致的樣車后背門，然后依據(jù)后背門開閉耐久性能試驗的試驗規(guī)范對優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)狀態(tài)的后背門進行開閉耐久性能試驗。經(jīng)過30 000次的開閉耐久循環(huán)后，最終優(yōu)化方案數(shù)據(jù)狀態(tài)的后背門試驗結果顯示，背門鎖加強板與內板搭接處的4個焊點均未失效，與疲勞仿真分析結果一致。試驗后的鎖加強板位置處焊點狀態(tài)如圖14所示。

圖14 試驗后優(yōu)化方案4個焊點均未開裂

5 結論

文中結合實際工程問題，將理論推導、理論方法選擇、仿真分析和試驗驗證相結合，以某SUV車型的后背門的焊點在開閉耐久性能試驗中開裂為研究對象，針對動態(tài)接觸零件與機構選擇合適的有限元簡化和模擬方法，并對后背門有限元模型進行瞬態(tài)響應分析，得到后背門在關閉過程中的瞬態(tài)應力時間歷程。采用名義結構應力法對焊點進行疲勞壽命分析，疲勞分析結果顯示，在耐久試驗中開裂的兩個焊點的損傷值，均超過目標值。通過對開裂方案的傳力路徑分析，獲得優(yōu)化方案并進行疲勞分析，結果顯示優(yōu)化方案中各焊點的疲勞損傷值均小于目標值，并通過了后續(xù)開閉耐久性能試驗的驗證。

因此，文中基于瞬態(tài)響應分析的后背門開閉疲勞有限元分析結果與開閉耐久性能試驗之間存在較好的相關性，證明該仿真方法可以在產(chǎn)品設計階段有效評估和預測后背門的開閉疲勞壽命，不但可以在早期規(guī)避結構耐久風險，也可以降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。