1 引言
車門是汽車的重要部件，具有隔絕車外噪聲，緩沖來自外部沖擊的作用。在日常使用中，由于車門的反復開關(guān)，可能會發(fā)生疲勞破壞，從而導致車門開裂、油漆脫落等問題，直接影響其使用性能和美觀。在汽車開發(fā)設(shè)計中，車門的開關(guān)耐久性已經(jīng)成為評價車門品質(zhì)好壞的一個重要指標。對車門的開關(guān)耐久試驗，能夠得到比較可靠的結(jié)果，但需要比較長的時間，當發(fā)現(xiàn)有耐久性問題時，就需要更改設(shè)計，修改樣件，重新進行試驗，將會增加汽車開發(fā)時間和成本。隨著計算機數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，工程師們已經(jīng)開始嘗試通過有限元方法模擬車門的開關(guān)耐久，預測其疲勞壽命。LMS公司使用模態(tài)疊加方法，提取試驗中的局部應力歷程，將其轉(zhuǎn)化成疲勞壽命預測；上汽集團的沈佳等應用基于LS-Dyna的顯式非線性分析計算的車門撞擊強度結(jié)果，再進行疲勞分析，計算出關(guān)注部件在經(jīng)歷所有循環(huán)載荷次數(shù)后的累積損傷。
本文以某卡車車門為對象，采用瞬態(tài)響應法模擬其開關(guān)強度，在此基礎(chǔ)上，進行疲勞壽命計算，并對其進行試驗驗證。
2 基于瞬態(tài)響應法的車門開關(guān)強度分析
2.1有限元模型的建立
卡車車門主要由內(nèi)板、外板、玻璃、升降器、鉸鏈、加強板等組成，車門開關(guān)耐久試驗包括車門全關(guān)、半關(guān)和全開三種狀態(tài)，此次模擬為玻璃全關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)強度，這種狀態(tài)由于車門重心較另兩種狀態(tài)要高，因此為最惡劣狀態(tài)，且在日常使用中為最為常見狀態(tài)，所建立的強度分析模型如圖1，單元尺寸為lOmm，鈑金件采用殼單元，鉸鏈、粘膠采用實體單元分網(wǎng)，整個模型共包括44977個單元，48919個節(jié)點，玻璃與窗框采用彈簧單元連接，玻璃升降器中的轉(zhuǎn)動副和滑動副采用節(jié)點自由度耦合，附屬件的質(zhì)量通過剛性單元連接到各安裝點。
圖1 車門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
邊界條件：約束上下鉸鏈與車身安裝處1-5自由度；根據(jù)同級別車門開關(guān)試驗所得數(shù)據(jù)簡化處理后作為計算模型加載條件，在緩沖塊和鎖扣位置分別沿Y方向施加相應的力，力的大小如圖2曲線所示，在密封條處沿Y方向加0.008Mpa的壓強。
所采用材料參數(shù)見表1。
表1 材料特性
2.2強度計算結(jié)果
強度應力云圖及最大應力節(jié)點的應力時間歷程如圖3所示，應力最大值為436MPa，位于靠近鉸鏈位置的加強板處，表2列出了各部件應力值最大節(jié)點的應力情況。
圖3 應力結(jié)果
表2 各部件應力值最大節(jié)點的應力大小
3 疲勞分析
3.1應變疲勞分析方法
對于循環(huán)應力水平較低、壽命長的情況，用應力一壽命曲線（S-N曲線）來描述其疲勞性能是恰當?shù)摹Ｈ欢S多工程構(gòu)件，在其整個使用壽命期間，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)并不多，因此其設(shè)計應力或應變水平可以高一些，以充分發(fā)揮材料的潛力，對于延性較好的材料，屈服后應變的變化比較大，應力的變化小。因此用應變作為疲勞性能控制參量相對要好一些。
上面的強度分析結(jié)果表明，應力結(jié)果比較大，超過了材料的屈服強度，且車門的開關(guān)耐久設(shè)計要求最低壽命次數(shù)大于84000次，屬于中低周疲勞問題，因此對其做應變疲勞分析。其材料屬性相應選擇E-N曲線，圖4為車門其中一種材料的E-N曲線。
圖4 E-N曲線
對本文中車門的開關(guān)耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper平均應力修正法，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
基于強度分析結(jié)果和材料的E-N曲線，計算得出車門開關(guān)的疲勞壽命，圖5是車門外板的壽命結(jié)果，可以看出，在門把手支架處疲勞壽命為91400次，該位置在整個車門中疲勞壽命最低；圖6為強度計算中應力最大構(gòu)件一加強板的疲勞壽命云圖，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 車門外板疲勞壽命云圖
圖6 加強板板疲勞壽命云圖
表三 各部件最低疲勞壽命次數(shù)
根據(jù)設(shè)計要求，車門開關(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足要求。
4 車門開關(guān)耐久試驗
4.1試驗方法
設(shè)置門的循環(huán)測試裝置，使其能夠在在門全開的位置施加一個載荷產(chǎn)生（相對門鉸鏈）的14N?m的過開力矩。調(diào)節(jié)關(guān)門沖擊裝置來產(chǎn)生13.6J關(guān)門能量或等效速度。
先進行84000次開關(guān)門試驗，監(jiān)測試驗過程，如果出現(xiàn)失效，則判定不合格，終止試驗；如未出現(xiàn)失效，判定為合格，并繼續(xù)進行摸底試驗，直至失效為止，記錄失效情況，開關(guān)次數(shù)。圖7為試驗圖片。
圖7 車門開關(guān)耐久試驗圖片
圖8 門把手支架疲勞失效
4.2試驗結(jié)果
經(jīng)過84000次循環(huán)后，結(jié)果顯示試驗過程中無異常，各零部件狀態(tài)良好、無裂紋產(chǎn)生，滿足設(shè)計要求。繼續(xù)進行摸底試驗，至10.1萬次時，車門把手支架出現(xiàn)斷裂，試驗機終止試驗。圖8為門把手支架失效圖。
將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比，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)果與試驗結(jié)果基本一致。
5 結(jié)論
1)采用瞬態(tài)響應法模擬了車門一次開關(guān)過程，得到了離散化后的車門結(jié)構(gòu)各節(jié)點的應力時間歷程。
2)在強度分析結(jié)果基礎(chǔ)上，采用E-N應變分析方法做了疲勞計算，并做了試驗驗證，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。
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