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基于MSC.FATIGUE的轿车车门结构疲劳耐久分析 |
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作者：肖志金 夏汤忠 刘盼 |
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摘要： 以某型轿车车门为例，建立了前侧门系统的有限元模型，施加了边界条件以模拟实际工况，并采用ABAQUS 求解器计算获得了应力时间历程。利用Miner 损伤累积准则，在MSC.FATIGUE 软件中对车门的疲劳寿命进行仿真分析，估算了车门在100000 次开关闭循环后的累计损伤值，并提出了改进方案。计算结果显示危险区域与实车试验一致。
关键词： MSC.FATIGUE 车门 疲劳损伤
1 引言
车门作为轿车车身中十分重要的功能部件，具有隔绝车外噪声，缓冲来自外部的冲击的作用，其疲劳寿命直接关系到轿车的经济性和舒适性。如果能在设计的早期预测结构的疲劳寿命，可以减少试验次数，降低费用，缩短产品开发周期，提高产品的质量。因此在车门设计的早期阶段，利用计算机仿真模拟，对疲劳寿命进行，有针对性的进行设计的改进，具有较大的现实意义。
以某型轿车前侧门为例，采用MSC.FATIGUE 求解器，对前侧门结构的疲劳寿命进行了分析，识别了危险区域并提出了改进意见。
2 汽车前侧门有限元模型的建立
2.1 前侧门网格模型
将前侧门各零件和与其相关联的车身环境件的三维模型导入到有限元前处理软件HYPERMESH 中，采用壳单元进行网格划分，基本网格尺寸为5mm。玻璃及门窗附件简化为集中质量施加在各质心处。门锁、门铰链和玻璃升降器电机都采用六面体单元建模。焊点利用B31 单元模拟，采用MPC 单元模拟门铰链上的旋转副。根据实际情况定义材料属性和接触关系。生成的有限元模型单元数量为318555，节点数量为290757，局部模型如图1 所示。
图1 前侧门总成局部网格模型
2.2 分析工况及边界条件
在车身环境件上加全约束，使车门开启4 度，并对车门施加1.46 弧度/s 的关闭角初速度（对应锁扣处的关闭线速度为1.5m/s）。改变模型中玻璃安装位置，以分别模拟玻璃全关，半开和全开三个工况。
3 有限元计算结果
对有限元模型进行求解，将生成的3 个应力结果文件一起读入到MSC.PATRAN 中进行后处理。
图2 玻璃全关工况111ms 时的应力云图
图3 玻璃半开工况108ms 时的应力云图
图4 玻璃全开工况117ms 时的应力云图
4 前侧门关闭疲劳耐久分析计算
疲劳计算的步骤包括材料数据，载荷历程以及有限元应力结果文件的输入，最后得出结构的疲劳寿命。采用疲劳分析方法为局部应力应变法。具体的流程如图5。
图5 车门耐久分析流程
4.1 疲劳累积损伤理论
采用修正的Miner 理论预测结构的疲劳寿命。其基本假设是：试样所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏。如试样破坏前可吸收的能量极限值为W，破坏前的总循环数为N，在某一循环数n1 时试样吸收的能量为W1，则由于试样吸收的能量与其循环数间存在着正比关系，因此有
这样，试样在k 个应力水平下，各经受nk 次循环，则总损伤
时，试样吸收的能量达到极限值W，试样发生疲劳破坏。当临界损伤和改为一个不等于1 的其他常数时，成为修正的Miner 法则。
4.2 局部应力应变法
局部应力应变法应用了自五十年代以来的低周疲劳的研究成果，用e-N 关系代替了S-N曲线，用循环的σ-ε 曲线代替了单调的σ-ε曲线。以应变之中处的局部应力、应变为基本设计参数的抗疲劳设计方法。它的设计思路是零部件的破坏都是从应变集中部位的最大应变集中处起始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件，因此，决定零部件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。因而有应变集中的零部件疲劳寿命可以使用光滑试样的循环应力——应变曲线和应变——寿命曲线进行计算，也可以使用局部应力应变相同的光滑试样进行疲劳试验来模拟。
4.3 材料的疲劳性能曲线。
材料的循环应力应变曲线由经验公式(1)描述：
式中：
Δεt ——总应变；
Δ σ ——应力；
K' ——材料循环强度系数；
n' ——材料循环应变硬化系数。
相当多的实验证明，金属的应变疲劳寿命曲线可由Manson-Coffin 公式(2)描述：
式中：
2Nf ——以反向计数的疲劳寿命；
σ'f， b ——与材料疲劳强度有关的系数；
ε'f， c ——与材料疲劳延展性有关的系数；
Δεt/2 ——应变幅值。
在MSC.FATIGUE 中，定义材料的σ'f，b ，ε'f和c值得到其应变寿命曲线见图6。
图6 应变寿命曲线
4.4 载荷历程的输入
玻璃升降器下固定点内板上节点287328 在玻璃全关工况下的应力时间历程如图7 所示。
图7 节点287328 在玻璃全关工况下的应力时间历程
直接读取有限元结果中的三个工况下各节点的应力时间历程，并将三个工况叠加，作为一个总循环，即
总循环=3 次玻璃全关+1 次玻璃半开+1 次玻璃全开
5 疲劳损伤计算结果与试验结果对比分析
采用MSC.FATIGUE 求解得到车门结构在1 次总循环下的损伤云图。损伤最大位置发生在玻璃升降器下固定处的内板固定孔周围，但这是假的，可以忽略。真正的最大损伤发生在节点287328 处，即玻璃升降器下固定处的内板突台周围，损伤达到1.2×10-5。另外节点200643，即内板上锁扣处也为热点区域，损伤达到9.9×10-6，需要注意。如图8 所示
图8 危险区域损伤云图
车门耐久需要满足在三种工况下开关闭100000 次的要求。对应这两处位置的损伤W 分别为：W287328=1.2×10-5×20000=0.24， W200643=9.9×10-6×20000=0.2。
实验表明，在以1.46 弧度/s 的关闭角初速度开关闭车门100000 次之后，玻璃升降器下固定处的内板突台周围附近发生了破坏，与计算所示区域一致。如图9 所示。其它位置没有损伤。所以我们希望改进结构，并将累积损伤值控制在0.2 以下。
图9 试验结果
6 根据计算提出改进方案
改变玻璃升降器下固定处的内板突台形状，并进行疲劳迭代分析，最后确定的方案和损伤寿命云图，如图10 所示。1 次总循环下，整个区域的损伤值基本都在6.4×10-6以下，最大损伤减小了43%。试验结果表明，该方案是可行的。
图10 突台形状改进后的损伤云图
7 结语
1. 提出了一种有效的基于进行汽车车门冲击耐久仿真分析的技术方法，可以快速的确定车门结构件的薄弱位置，估算其疲劳损伤量，能为其强度交合和疲劳可靠性设计起到指导作用。
2. 与试验结果进行对比分析，确定了使车门结构件达到疲劳耐久要求的最大计算损伤量，并提出了改进意见。(end)
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(3/7/2011) |
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