1 引言
車(chē)門(mén)是汽車(chē)的重要部件，具有隔絕車(chē)外噪聲，緩沖來(lái)自外部沖擊的作用。在日常使用中，由于車(chē)門(mén)的反復(fù)開(kāi)關(guān)，可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致車(chē)門(mén)開(kāi)裂、油漆脫落等問(wèn)題，直接影響其使用性能和美觀。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)耐久性已經(jīng)成為評(píng)價(jià)車(chē)門(mén)品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)耐久試驗(yàn)，能夠得到比較可靠的結(jié)果，但需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有耐久性問(wèn)題時(shí)，就需要更改設(shè)計(jì)，修改樣件，重新進(jìn)行試驗(yàn)，將會(huì)增加汽車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，工程師們已經(jīng)開(kāi)始嘗試通過(guò)有限元方法模擬車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)耐久，預(yù)測(cè)其疲勞壽命。LMS公司使用模態(tài)疊加方法，提取試驗(yàn)中的局部應(yīng)力歷程，將其轉(zhuǎn)化成疲勞壽命預(yù)測(cè)；上汽集團(tuán)的沈佳等應(yīng)用基于LS-Dyna的顯式非線(xiàn)性分析計(jì)算的車(chē)門(mén)撞擊強(qiáng)度結(jié)果，再進(jìn)行疲勞分析，計(jì)算出關(guān)注部件在經(jīng)歷所有循環(huán)載荷次數(shù)后的累積損傷。
本文以某卡車(chē)車(chē)門(mén)為對(duì)象，采用瞬態(tài)響應(yīng)法模擬其開(kāi)關(guān)強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
2 基于瞬態(tài)響應(yīng)法的車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)強(qiáng)度分析
2.1有限元模型的建立
卡車(chē)車(chē)門(mén)主要由內(nèi)板、外板、玻璃、升降器、鉸鏈、加強(qiáng)板等組成，車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久試驗(yàn)包括車(chē)門(mén)全關(guān)、半關(guān)和全開(kāi)三種狀態(tài)，此次模擬為玻璃全關(guān)狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)強(qiáng)度，這種狀態(tài)由于車(chē)門(mén)重心較另兩種狀態(tài)要高，因此為最?lèi)毫訝顟B(tài)，且在日常使用中為最為常見(jiàn)狀態(tài)，所建立的強(qiáng)度分析模型如圖1，單元尺寸為lOmm，鈑金件采用殼單元，鉸鏈、粘膠采用實(shí)體單元分網(wǎng)，整個(gè)模型共包括44977個(gè)單元，48919個(gè)節(jié)點(diǎn)，玻璃與窗框采用彈簧單元連接，玻璃升降器中的轉(zhuǎn)動(dòng)副和滑動(dòng)副采用節(jié)點(diǎn)自由度耦合，附屬件的質(zhì)量通過(guò)剛性單元連接到各安裝點(diǎn)。
圖1 車(chē)門(mén)FEA模型
圖1中，1代表左上緩沖塊；2代表右上緩沖塊；3代表鎖扣；4代表鉸鏈；5代表左下緩沖塊。
圖2 加載力曲線(xiàn)
邊界條件：約束上下鉸鏈與車(chē)身安裝處1-5自由度；根據(jù)同級(jí)別車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理后作為計(jì)算模型加載條件，在緩沖塊和鎖扣位置分別沿Y方向施加相應(yīng)的力，力的大小如圖2曲線(xiàn)所示，在密封條處沿Y方向加0.008Mpa的壓強(qiáng)。
所采用材料參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 材料特性
2.2強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
強(qiáng)度應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程如圖3所示，應(yīng)力最大值為436MPa，位于靠近鉸鏈位置的加強(qiáng)板處，表2列出了各部件應(yīng)力值最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力情況。
圖3 應(yīng)力結(jié)果
表2 各部件應(yīng)力值最大節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力大小
3 疲勞分析
3.1應(yīng)變疲勞分析方法
對(duì)于循環(huán)應(yīng)力水平較低、壽命長(zhǎng)的情況，用應(yīng)力一壽命曲線(xiàn)（S-N曲線(xiàn)）來(lái)描述其疲勞性能是恰當(dāng)?shù)摹Ｈ欢S多工程構(gòu)件，在其整個(gè)使用壽命期間，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)并不多，因此其設(shè)計(jì)應(yīng)力或應(yīng)變水平可以高一些，以充分發(fā)揮材料的潛力，對(duì)于延性較好的材料，屈服后應(yīng)變的變化比較大，應(yīng)力的變化小。因此用應(yīng)變作為疲勞性能控制參量相對(duì)要好一些。
上面的強(qiáng)度分析結(jié)果表明，應(yīng)力結(jié)果比較大，超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，且車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)耐久設(shè)計(jì)要求最低壽命次數(shù)大于84000次，屬于中低周疲勞問(wèn)題，因此對(duì)其做應(yīng)變疲勞分析。其材料屬性相應(yīng)選擇E-N曲線(xiàn)，圖4為車(chē)門(mén)其中一種材料的E-N曲線(xiàn)。
圖4 E-N曲線(xiàn)
對(duì)本文中車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper平均應(yīng)力修正法，疲勞系數(shù)取1，材料均不做表面處理。
3.2疲勞分析結(jié)果
基于強(qiáng)度分析結(jié)果和材料的E-N曲線(xiàn)，計(jì)算得出車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)的疲勞壽命，圖5是車(chē)門(mén)外板的壽命結(jié)果，可以看出，在門(mén)把手支架處疲勞壽命為91400次，該位置在整個(gè)車(chē)門(mén)中疲勞壽命最低；圖6為強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)力最大構(gòu)件一加強(qiáng)板的疲勞壽命云圖，其最低壽命為43290次；表3列出了其它部件的最低壽命次數(shù)。
圖5 車(chē)門(mén)外板疲勞壽命云圖
圖6 加強(qiáng)板板疲勞壽命云圖
表三 各部件最低疲勞壽命次數(shù)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久最低壽命次數(shù)為84000次，由上表可以看出，各部件的最低壽命均能滿(mǎn)足要求。
4 車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久試驗(yàn)
4.1試驗(yàn)方法
設(shè)置門(mén)的循環(huán)測(cè)試裝置，使其能夠在在門(mén)全開(kāi)的位置施加一個(gè)載荷產(chǎn)生（相對(duì)門(mén)鉸鏈）的14N?m的過(guò)開(kāi)力矩。調(diào)節(jié)關(guān)門(mén)沖擊裝置來(lái)產(chǎn)生13.6J關(guān)門(mén)能量或等效速度。
先進(jìn)行84000次開(kāi)關(guān)門(mén)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程，如果出現(xiàn)失效，則判定不合格，終止試驗(yàn)；如未出現(xiàn)失效，判定為合格，并繼續(xù)進(jìn)行摸底試驗(yàn)，直至失效為止，記錄失效情況，開(kāi)關(guān)次數(shù)。圖7為試驗(yàn)圖片。
圖7 車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)耐久試驗(yàn)圖片
圖8 門(mén)把手支架疲勞失效
4.2試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)84000次循環(huán)后，結(jié)果顯示試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常，各零部件狀態(tài)良好、無(wú)裂紋產(chǎn)生，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。繼續(xù)進(jìn)行摸底試驗(yàn)，至10.1萬(wàn)次時(shí)，車(chē)門(mén)把手支架出現(xiàn)斷裂，試驗(yàn)機(jī)終止試驗(yàn)。圖8為門(mén)把手支架失效圖。
將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以看出，疲勞失效位置一致，最低疲勞壽命數(shù)值上誤差為9.5%，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。
5 結(jié)論
1)采用瞬態(tài)響應(yīng)法模擬了車(chē)門(mén)一次開(kāi)關(guān)過(guò)程，得到了離散化后的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程。
2)在強(qiáng)度分析結(jié)果基礎(chǔ)上，采用E-N應(yīng)變分析方法做了疲勞計(jì)算，并做了試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
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