陳 瑜，龔益玲

（上汽大眾汽車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)車身開發(fā)部，上海 201805）

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車駕駛性能、安全性能和舒適性能的要求也在不斷提高。汽車企業(yè)依據(jù)法規(guī)要求和相應(yīng)的標準，對汽車的質(zhì)量和乘用體驗不斷改善。汽車的行李箱蓋作為汽車十分重要的功能部件，具有隔絕噪聲、緩沖來自外部沖擊的作用。在車輛的使用過程中行李箱蓋反復開啟和關(guān)閉，承受循環(huán)力加載和卸載，行李箱蓋與密封條的疲勞壽命直接關(guān)系到車輛的經(jīng)濟性和乘坐舒適性。由于造型和沖壓工藝的需求，在車輛行李箱蓋設(shè)計中，通常將外板設(shè)計成分體式結(jié)構(gòu)，再通過激光焊將上下板連接成一體。這樣的設(shè)計兼顧工藝及造型，所以在很多車型上得到了廣泛應(yīng)用。但在分體式行李箱蓋的開關(guān)耐久試驗中，上下鈑金連接處的激光焊出現(xiàn)激光焊耐久開裂的風險相對比較大。

不同部位的激光焊縫承受不同的應(yīng)力載荷，一旦某些部位的激光焊工藝質(zhì)量存在缺陷，就會導致局部焊接強度大幅度降低，進而引發(fā)低周期的激光焊開裂現(xiàn)象。此外，結(jié)構(gòu)強度也是影響激光焊開裂的關(guān)鍵因素。車輛行李箱蓋關(guān)閉是一個瞬態(tài)過程，在密封條、緩沖塊及鎖的作用下，車輛的行李箱蓋外板鈑金在慣性作用下周期性地對激光焊施加疲勞載荷。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮結(jié)構(gòu)強度對激光焊的承載極限的影響，激光焊同樣會出現(xiàn)低周期的開裂現(xiàn)象。

疲勞試驗周期長，耗費企業(yè)巨大的開發(fā)成本及時間成本?，F(xiàn)有的行李箱蓋疲勞仿真技術(shù)中，存在著諸多簡化和缺陷：首先，行李箱蓋鈑金件在疲勞模型中簡化為殼單元，激光焊縫定義為六面體單元，而鈑金和激光焊縫連接處使用剛性連接，因此，無法準確模擬鈑金連接區(qū)域受力狀況以及疲勞開裂問題。其次，在疲勞模型中，安裝在車輛車身止口的密封條由高粘彈性材料制成，傳統(tǒng)疲勞模型只是簡單地將其簡化成線性的彈簧單元，無法準確反映密封條在實際開閉行李箱蓋過程中的瞬態(tài)材料特性；最后，作為行李箱蓋開閉過程中傳遞力的重要零部件，密封條和車身止口之間存在復雜的接觸關(guān)系，也是需要考慮的因素。因此，在行李箱蓋疲勞分析有限元模型中，激光焊縫和密封條的受壓特性及接觸關(guān)系的定義，對于行李箱蓋鈑金受力的大小和疲勞壽命也有著重要的影響。

本文針對某款車型典型的分體式內(nèi)外板行李箱蓋激光焊開裂問題，基于超單元理論，建立用于激光焊的精細化模型，對臨近裂紋尖端區(qū)域進行有限元網(wǎng)格細化；通過二維壓縮模型對密封條進行非線性材料屬性標定及相關(guān)接觸定義，模擬車輛密封條在高應(yīng)變率下非線性的動態(tài)性能，搭建行李箱蓋疲勞有限元仿真模型，最后通過相應(yīng)的試驗驗證等進行一系列的疲勞研究。

1 基于超單元理論的激光焊有限元模型

在建立傳統(tǒng)激光焊有限元模型時，行李箱蓋鈑金件常簡化為殼單元。鈑金和激光焊連接處使用剛性連接，因此，無法準確模擬鈑金連接區(qū)域的受力狀況；如果對整個行李箱蓋及所有鈑金連接處使用超細化模型，整體模型有限元網(wǎng)格數(shù)目會增加500～1000倍，雖然能準確模擬鈑金及其連接處的受力及失效情況，但是模型巨大，因此計算效率極其低下。

1.1 超單元理論

超單元是一種基于疲勞斷裂理論的超細化聚合單元，同時考慮實際焊接結(jié)構(gòu)連接形式和結(jié)果復雜程度的巨型單元。在實際仿真模型中，焊點或者焊接單元被簡化為普通的四面體或者六面體單元，焊接邊緣節(jié)點使用剛性連接與主模型進行耦合。這種單元只是焊點的表示形式，進入到平衡迭代方程的矩陣則是超單元的聚合剛度矩陣。如圖1(a)所示為最終模型焊點表現(xiàn)形式，圖1(b)所示為實際超單元表現(xiàn)形式。

圖1 焊點的超單元表現(xiàn)形式

熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護電弧焊和激光焊等焊接方式作為車身板件中的焊線常用經(jīng)濟有效的焊接技術(shù)，與點焊一樣，疲勞強度評估是基于焊縫根部的計算張力。超單元模型采用單元模型的裂紋尖端半徑=0.05 mm，網(wǎng)格與點焊模型網(wǎng)格類似，如圖2所示。

圖2 激光焊縫的超單元表現(xiàn)形式

1.2 裂紋尖端

接頭的抗拉強度取決于接頭之間切口的應(yīng)力張量大小，這些應(yīng)力張量取決于切口的形狀和尺寸。在裂紋尖端處應(yīng)力和應(yīng)變的梯度很大，因此，臨近裂紋尖端區(qū)域的有限元網(wǎng)格有必要進行細化。如圖3所示，真實的缺口被一個更大曲率的角膜緣似的單元過渡代替。對于車身中的薄板（0.6～3 mm），虛擬切口設(shè)定為彎曲半徑為0.05 mm。

圖3 裂紋尖端網(wǎng)格細化

1.3 超單元剛度矩陣轉(zhuǎn)換

在有限元計算結(jié)果中，計算局部坐標系下的應(yīng)變，須將焊接單元的全局位移轉(zhuǎn)換到局部坐標系中。此后，確定局部剛性以及由該局部剛度引起的變化，并從總剛度中刪除。隨后，節(jié)點力可以通過將修正后的局部坐標系下位移與局部坐標系下剛度矩陣相乘，并添加到先前的荷載增量來計算。有限元計算過程中，需要將剛度矩陣和節(jié)點力轉(zhuǎn)化為新的全局坐標系下坐標值，并返回到全局計算過程中。

全局坐標系由8節(jié)點設(shè)置定義。局部坐標系中定義的剛度矩陣根據(jù)全局坐標系進行變換，如圖4所示。Fortran用戶子程序的編程方式使焊接點也能在幾何非線性計算中經(jīng)歷較大的剛體旋轉(zhuǎn)。

圖4 全局坐標轉(zhuǎn)換

1.4 總體剛度矩陣變化

通過超單元建模得到連接區(qū)域的局部細化模型后，通過計算可以得到修正的焊接區(qū)域的剛度矩陣，將此剛度矩陣應(yīng)用于疲勞計算的有限元模型中，保證計算效率的前提下，大大提高了計算精度，準確模擬出鈑金件連接處受力情況及疲勞開裂的風險。

設(shè)連接區(qū)域局部細化模型含有個單元，其整體結(jié)構(gòu)的剛度方程可表示為

對于每一個體單元，單元節(jié)點數(shù)為8，單個節(jié)點有3個自由度，剛度方程表示為

其中，[]為第個體單元剛度矩陣；=1,2,3…；{}可表示為

此可以得到第個體單元的剛度矩陣，由式（4）表示：

2 疲勞S-N曲線分析

實驗樣件在不同方向角度的拉伸載荷加載、不同厚度的樣件情況，其S-N曲線基本是一致的。考慮到有限元模型計算輸出的結(jié)果為應(yīng)力值，實際使用的S-N曲線應(yīng)為應(yīng)力與疲勞循環(huán)次數(shù)的曲線。在曲線轉(zhuǎn)化過程中，綜合焊接點的有限元模型，將試驗力轉(zhuǎn)換為名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力。包括頭部拉力試驗和剪切試驗，由這些理論計算值與S-N曲線組成新的能夠在工程中應(yīng)用的S-N曲線。

圖5為試驗樣件進行100 000次循環(huán)疲勞試驗循環(huán)加載后的失效狀態(tài)，圖6為焊接樣件疲勞有限元模擬。通過綜合焊接點模型，將試驗力轉(zhuǎn)換為名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在工程應(yīng)用中，由于焊接區(qū)域存在復雜的幾何結(jié)構(gòu)和荷載條件，從來沒有純粹的頭部拉力或剪切，結(jié)構(gòu)受到的總是混合荷載類型，不變性對于實際構(gòu)件的適用性尤其重要。本文中名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力為局部應(yīng)力，沒有考慮缺口效應(yīng)的疊加。

圖5 焊接樣件100 000次循環(huán)疲勞試驗

圖6 焊接樣件疲勞有限元模擬

試驗中使用焊接的樣件進行應(yīng)力拉伸試驗，并依據(jù)下列公式計算得到名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力：

式中，為剪切應(yīng)力；為頭部剪切應(yīng)力；為剝離應(yīng)力；為名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力；為剪力；為頭部剪力；為彎曲力矩；為焊點直徑；為焊點連接鈑金的厚度；為鈑金焊點影響區(qū)域直徑。

3 行李箱蓋耐久疲勞物理臺架試驗

圖7為行李箱蓋開閉耐久疲勞物理試驗臺架。試驗將帶有內(nèi)飾的完整行李箱蓋系統(tǒng)安裝在固定的整車骨架上，外置牽引系統(tǒng)控制行李箱蓋以恒定的速度進行多次關(guān)閉。傳統(tǒng)的行李箱蓋開閉耐久疲勞物理試驗臺架多使用氣泵式牽引系統(tǒng)，由于其無法精確控制關(guān)閉速度，本文所述的試驗均采用電動牽引系統(tǒng)。測速儀放置于行李箱蓋下邊緣，用以準確記錄每次試驗的關(guān)閉速度。

圖7 行李箱蓋開閉耐久疲勞物理試驗臺架

4 行李箱蓋耐久疲勞數(shù)值仿真

4.1 行李箱蓋有限元模型

根據(jù)行李箱蓋疲勞耐久物理試驗，搭建行李箱蓋疲勞分析有限元模型，如圖8所示。其中氣彈簧以及行李箱蓋的緩沖塊簡化為帶參數(shù)的Connector單元。

圖8 行李箱蓋疲勞分析有限元模型示意圖

根據(jù)設(shè)計測量的數(shù)據(jù)重心，對于后尾燈以及后行李箱蓋內(nèi)飾、雨刮電機等進行簡化處理，以集中質(zhì)量的形式通過Coupling函數(shù)與鈑金連接，如圖9所示。

圖9 行李箱蓋內(nèi)飾、尾燈等集中質(zhì)量布置示意圖

4.2 密封條模型

4.2.1 傳統(tǒng)密封條有限元模型

在車輛行李箱蓋疲勞傳統(tǒng)的仿真技術(shù)中，對密封條采用不同的處理方法會對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。通常，密封條簡化為受力方向垂直于鈑金平面的具有均勻剛度的線性彈簧單元。以往的疲勞分析中，密封條定義為線彈性，其剛度系數(shù)通過式（9）計算得出：

式中，垂直于卡槽加載力=200 N，為密封條壓縮量，如圖10所示。

圖10 行李箱密封條傳統(tǒng)壓縮性能圖

4.2.2 密封條平面應(yīng)變單元模型

由于行李箱蓋在關(guān)閉瞬間是高非線性的瞬態(tài)過程，因此，具有恒定剛度的線性彈簧單元無法準確反映該過程中行李箱蓋與密封條連接區(qū)域的非線性關(guān)系。

基于ABAQUS有限元計算軟件建立行李箱蓋疲勞分析的密封條模型，如圖11所示。密封條沿著安裝路徑的掃掠曲線建立一系列間隔為10 mm，長度為10 mm的等距的Connector單元，Connector單元指向為密封條安裝區(qū)域中，密封條密封接觸點和密封條安裝點的連線。所組裝建立后蓋疲勞計算模型中，鈑金模型與密封條模型之間通過共用節(jié)點的方式連接。

圖11 行李箱密封條有限元示意圖

所建立的密封條有限元模型被賦以Connector單元材料參數(shù)，材料屬性通過密封條不同分區(qū)的二維截面模型獲得。

4.2.3 密封條二維截面模型

沿密封條安裝路徑提取密封條安裝曲線，并根據(jù)安裝曲線的曲率進行分區(qū)，如圖12所示，不同的分區(qū)能夠反映不同安裝區(qū)域的開閉件及車身的鈑金截面和密封條的相對位置，不同分區(qū)對于密封條的壓縮量以及壓縮方向都是不同的。圖13示意了分區(qū)和分區(qū)的截面對比圖，圖中很明顯地展示了兩個不同分區(qū)在后蓋關(guān)閉工況中對于密封條的壓縮方向的差異。

圖12 后蓋密封條分區(qū)示意圖

圖13 后蓋密封條二維截面不同分區(qū)對比圖

由于每個分區(qū)的密封條壓縮邊界條件不同，需要對每個分區(qū)建立獨立的密封條壓縮模型進行壓縮仿真分析。圖14示意了分區(qū)密封條壓縮模型，邊界條件和加載方式為約束車身側(cè)卡槽，對于加載面施加一個繞行李箱蓋鉸鏈轉(zhuǎn)軸的角速度。此外，各個分區(qū)的密封條截面、行李箱蓋的加載面、距離鉸鏈軸位置的遠近導致每個分區(qū)加載面的角速度也各不相同，需要分別逐個建模分析計算，最后得出各個分區(qū)密封條的特性曲線，如圖15所示。

圖14 后蓋密封條不同分區(qū)壓縮模型示意圖

圖15 力位移曲線

本文提出的數(shù)值方法不僅能準確計算出密封條因安裝曲率變化造成的截面受力性能變化，同時，還能更加精確地模擬由超粘彈性材料制成的車輛密封條在高應(yīng)變率下的非線性動態(tài)性能開關(guān)過程中密封條連接區(qū)域的受力狀況。

4.3 焊點模型

基于本文第一節(jié)介紹的超單元理論，將后蓋疲勞關(guān)閉模型中激光焊建成超單元，如圖16所示，并提前計算其剛度矩陣，用于后續(xù)的疲勞關(guān)閉分析。

圖16 后蓋疲勞關(guān)閉工況中的激光焊模型示意圖

4.4 初始條件加載

根據(jù)實際的疲勞試驗工況，定義相關(guān)的邊界條件，如圖17所示。鉸鏈處約束除了向轉(zhuǎn)動的其他五個自由度。

圖17 后蓋疲勞關(guān)閉工況初始邊界條件示意圖

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準，以鉸鏈軸為軸心，沿著關(guān)閉方向，施加一個角速度，使后蓋下邊緣的關(guān)閉速度能夠達到1.6 m/s。

4.5 疲勞分析

通過Abaqus求解器分析該后蓋疲勞關(guān)閉模型。通過仿真模擬計算可以得到激光焊端部的應(yīng)力云紋圖（如圖18所示）以及激光焊端部的應(yīng)力曲線圖（如圖19所示）。

圖18 后蓋疲勞關(guān)閉激光焊應(yīng)力圖

圖19 后蓋疲勞關(guān)閉激光焊端部應(yīng)力曲線圖

根據(jù)疲勞模擬計算所得到的激光焊端部應(yīng)力值曲線（如圖19所示），結(jié)合疲勞曲線，根據(jù)公式（6）—（9），得到疲勞關(guān)閉的疲勞次數(shù)。其中和分別對應(yīng)圖19中后蓋鎖一級鎖止和二級鎖止時刻激光焊端部的應(yīng)力值。為后蓋疲勞工況中，后蓋鎖一級鎖止時刻應(yīng)力對應(yīng)的后蓋關(guān)閉疲勞次數(shù)；為后蓋疲勞工況中，后蓋鎖二級鎖止時刻應(yīng)力對應(yīng)的后蓋關(guān)閉疲勞次數(shù)。最后根據(jù)公式（10），得到后蓋整個關(guān)閉歷程的疲勞總次數(shù)。

根據(jù)后蓋疲勞計算分析得到的疲勞次數(shù)，可以有針對性地優(yōu)化后蓋結(jié)構(gòu)，提升后蓋在疲勞工況下的疲勞壽命。

5 結(jié)論

本文針對某款車型典型的尾門激光焊開裂問題，基于超單元理論，建立用于激光焊的精細化模型，對臨近裂紋尖端區(qū)域的有限元網(wǎng)格進行細化，得到修正的多維度激光焊的剛度矩陣。相比于焊點連接區(qū)域初始狀態(tài)的模型使用8個殼單元和一個實體單元，共26個單元節(jié)點數(shù)，使用微單元技術(shù)對焊點連接區(qū)域局部有限元模型進行重構(gòu)，所使用的超細化焊點連接區(qū)域有限元模型使用=6 272個實體單元，共7 380個節(jié)點，自由度為7 380×3=22 140，局部模型擴展700倍，能夠準確對連接區(qū)域的剛度矩陣進行修正。

同時通過二維壓縮模型對密封條進行非線性材料屬性標定，更準確地模擬車輛密封條在高應(yīng)變率下的非線性的動態(tài)性能，有效提高了車輛尾門激光焊計算效率和疲勞開裂的風險預測精度。

有限元仿真與實驗結(jié)果的對比顯示，使用傳統(tǒng)仿真技術(shù)的方法連接處使用剛性連接建立，得出鈑金連接區(qū)域的最大應(yīng)力值為1 649 MPa，依據(jù)S-N曲線得出的疲勞壽命為164 031；通過優(yōu)化焊接單元以及密封條的建模方法，對疲勞模型的剛度矩陣進行修正后，得出鈑金連接區(qū)域的最大應(yīng)力值為1 863 MPa，依據(jù)S-N曲線得出的疲勞壽命為89 118；在試驗驗證中，在第90 000次過程檢測時出現(xiàn)了疲勞開裂。通過本文所述的建模方法準確地模擬了鈑金在該連接處的受力及失效情況的模擬及對標，能夠更加有效地服務(wù)于后續(xù)車型研發(fā)過程結(jié)構(gòu)的改進，在設(shè)計階段就能夠?qū)ζ谑栴}提供及時的預警及改正，有效減少了后續(xù)實驗失敗的次數(shù)，節(jié)約了企業(yè)的研發(fā)成本。