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基于MSC.Fatigue的汽车开闭件撞击疲劳分析 |
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作者：上海汽车集团 沈佳 王国明 |
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摘要：本文介绍了汽车开闭件开关撞击疲劳分析的分析流程，并以某车型后门为例，阐述了如何利用MSC.Fatigue 进行车身开闭件撞击疲劳分析，预测其使用寿命，为前期设计提供依据。
关键词：汽车开闭件 撞击疲劳 数值仿真
1．概述
汽车开闭件，如车门、发动机罩盖、行李箱盖或尾门，在日常使用中由于反复的开关，在其所受的应力尚未达到材料的许用应力的情况下，局部位置可能产生疲劳裂纹，并扩展最后导致断裂，影响正常使用，有可能产生漏水等问题甚至产生某些安全隐患。因此汽车开闭件的撞击疲劳寿命评估，一直是汽车结构设计中关心的问题。随着计算机硬件技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，基于大量试验数据的疲劳强度设计和寿命计算的有限元数值计算方法得到了充分的开发，已经发展形成了专用的疲劳分析软件，如MSC.Fatigue。与基于试验的传统方法相比，疲劳寿命的虚拟仿真分析能够预测关键零部件的疲劳寿命，帮助设计工程师在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，通过修改设计预先避免不合理的寿命分布。
本文以某车型车门撞击疲劳分析为例，阐述了如何利用MSC.Fatigue 软件E-N 法和Miner累积损伤理论对汽车开闭件的撞击过程进行虚拟仿真，预测过程中的应力分布，并对其疲劳寿命进行评估，以期为车辆的前期开发设计提供理论依据。对汽车开闭件进行撞击疲劳分析,预测其疲劳寿命。
2. E-N 法及线性累积损伤理论[1]
2.1 局部应变寿命法( E—N 方法)
局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性”,计入了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响,使寿命估算结果更接近实际情况。它适用于高应变低周疲劳问题。
Morrow 指出总应变是弹性应变和塑性应变的和，它和寿命有很大的关系。因此总应变-寿命曲线在数学表达上可用Coffin-Manson-Basquin 估算式来表达
2.2 线性累积损伤理论
当前，工程中广泛应用的疲劳分析理论为Miner 累积损伤理论。Miner 从能量的角度出发，做了如下假设:试样所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏，且吸收的能量与其循环数间存在着正比关系，即
这样，若试样的加载历史由σ 1，σ 2，„，σ l 这样的l 个不同的应力水平构成，各应力水平下的疲劳寿命依次为N1，N2，„，Nl，各应力水平下的循环次数依次为n1，n2，„，nl，则当损伤
时，试样吸收的能量达到极限值W，试样发生疲劳破坏。上式即为Miner 累积损伤理论的数学表达式。
3 汽车开闭件的撞击疲劳分析流程
对车身开闭件的撞击疲劳分析一般分两步进行，首先对模型进行强度分析，在开闭件上施加几个特定的初始速度，得到相应的应力结果，从中找出结构的高应力危险部件；然后再针对这些高应力危险部件进行疲劳分析，将其材料E-N 曲线，各初始速度下一次撞击的应力时间历程以及循环次数输入到MSC.Fatigue 里，计算模型的累积损伤及分布，预测其疲劳寿命。
图1 为开闭件撞击疲劳分析的一般流程
图1 汽车开闭件疲劳分析流程
4.车门碰撞疲劳分析
本文选取某车型后车门为例， 利用MSC.Fatigue 进行撞击疲劳分析。
4.1 有限元模型
模型选取完整的后车门总成及部分白车身（如图2 所示）,并在车身截面处约束所有自由度，整个模型单元数为70057 个。
图2 车门撞击分析的FE 模型
鉴于车门关闭过程中，车门质量对初始动能其决定性作用，必须保证车门有限元模型与真实车门具有相同的质量及分布，模型中必须包含完整的车门装配件、车窗玻璃，车门部分硬件及内饰件可以以配重的方式加到车门模型上。用弹簧单元模拟车门密封条在车门关闭过程中对车门的缓冲作用。车门锁及其附属必须按真实形状建模，如图3 所示。
图3 门锁的FE 模型
由于车门撞击过程中，材料一般超过屈服，所以必须引用材料各拉伸速率下真实应力应变曲线（如图4 所示），将同一材料不同速率下的应力应变曲线合成表加到材料信息里。本文中车门撞击强度分析是基于LS-Dyna 的显式非线性分析。 
图4 某低碳钢不同拉伸速率下的应力应变曲线
4.2 强度分析
根据标准，在车门关门方向分别施加几个不同的初始速度，模拟车门日常使用中的关门，利用显示非线性求解，得到相应初始速度下模型在撞击过程中的应力随时间的变化情况。
分析结果中同时需要输出能量随时间变化曲线（如图5 所示），检查总能量是否守恒，是否存在沙漏及其他不正常情况。
图5 能量随时间变化曲线
通过查看锁扣处反力（如图6 所示）确定各速度下从开始撞击到车门完全锁上一次关闭车门经历的时间，取该时段内模型应力结果供疲劳分析使用。
图6 不同初始速度下锁扣处约束反力随时间变化值
分析结果显示，门内板、侧围外板以及与铰链相连的门加强支撑板为高应力危险部件（如图7 所示）。
图7 高应力危险部件应力云图
4.3 疲劳分析
将以上三个高应力危险部件的模型及它们的强度分析结果导入MSC.Fatigue，选取应变寿命法为本次疲劳寿命分析方法。
以上三个零部件的材料均为某低碳钢，通过疲劳实验数据绘制的E-N 曲线如图8。
图8 某低碳钢E-N 曲线
导入材料疲劳特性并赋给相应模型，同时建立循环载荷场，即将各速度下一个关闭周期的强度分析结果及相应循环次数作为疲劳计算的载荷工况，计算关注部件在经历所有循环载荷次数后的累积损伤，判断其是否满足疲劳设计要求。计算结果如图9 所示。
图9 关注部件累积损伤云图
从图中可以看出，三部件的最大累积损伤均小于1，未达到疲劳破坏，满足疲劳寿命设计要求。此处也可以根据工程经验设置相应安全系数，再作判断，以控制风险。
5．物理试验验证
在车门样件制作完成后，工程师对车门slam 过程进行了物理试验验证，结果显示试验过程中无异常，各零部件状态良好、无裂纹产生，满足设计要求。物理试验很好地验证了疲劳分析结果的准确性可靠性。
6．结论
本文根据疲劳基本理论，借助MSC.Fatigue 疲劳分析软件，对车身开闭件的关闭撞击疲劳问题进行了仿真研究，并以某车型后门为例，进行了撞击疲劳仿真分析，分析结果也得到了物理试验较好的验证。
结果表明，基于MSC.Fatigue 对汽车开闭件的撞击损伤进行疲劳分析是可行的，可以为设计提供一定的依据，预测结构的疲劳寿命。
参考文献
[1] 周传月、郑红霞、罗慧强. MSC. Fatigue 疲劳分析应用与实例.科学出版社，2005 年
[2] 王国军、胡仁喜. nSoft 疲劳分析理论与实例. 机械工业出版社，2007 年
[3] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析. 国防工业出版社，第一版，2003 年
[4] 王成国，孟广伟，原亮明，刘敬辉. 新型高速客车构架的疲劳寿命数值仿真分析. 中国铁道科学，第22 卷，第3 期，2001 年.(end)
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(3/13/2011) |
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