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基于RADIOSS的侧门关门耐久性能分析 |
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作者：泛亚汽车技术中心 赵婷婷 王得天 |
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摘要：关门耐久性能是汽车侧门的重要评估工况之一。目前汽车厂多采用仿真结合试验来确保侧门的耐久性，为了减少试验成本，缩短研发周期，需要准确、简单、快速的仿真分析预测方法。本文基于RADIOSS采用惯性释放结合疲劳分析方法来模拟关门的瞬态工况，并对标相关试验。分析和对比结果表明，该分析方法能快速有效地再现侧门关门耐久性能，有利于在产品开发前期预测及优化车门结构性能，提高设计效率。
关键字：关门耐久性能、惯性释放、RADIOSS、汽车侧门
引言
随着计算机技术的广泛应用和快速发展，CAE仿真技术已成为支持工程师进行创新研究和创新设计最重要的工具和手段。在汽车领域，其研究对象几乎涵盖所有子系统，研究内容包括结构分析、工艺分析、动力学分析、内外流场和安全分析等多个方面。针对汽车侧门来说，车门的关门耐久性是车门开关门性能不可或缺的部分。本文应用RADIOSS求解器中一体化的疲劳分析功能，采用惯性释放方法简单快速地模拟车门的开关门疲劳性能。
车门的关门过程是一个瞬态的动力冲击过程，发生频次高。关门载荷引发冲击和震动，导致冲击加速度和惯性加速度。若冲击载荷接近车门子系统的固有频率，可能导致零件大的应力和变形[1]。本文旨在基于惯性释放方法结合疲劳分析来预测侧门关门工况中内板的疲劳寿命分布。首先通过对标关门锁扣力获得关门时的加载惯性力矩，然后通过静态分析获得应力应变分布，最后进行疲劳分析来预测内板的裂纹产生。通过与试验对标，验证分析的准确性，提出相应的改进方案，并进行相关试验验证。
1车身侧门有限元模型建立
汽车车门是车身结构的重要组成部件之一，其性能影响车身结构性能的好坏。车身作为一个综合子系统，与车厢一起构成乘员的周围空间范围，应具备足够大的强度、刚度和良好的震动性能[2]。本文的分析模型包括白门、玻璃、玻璃导轨、水切密封、铰链等。焊点采用ACM单元，密封条采用弹簧单元，其中白门上的附件均采用集中质量模型用REB2单元连接。建立的模型如图1。
2侧门关门耐久性分析流程
本文采用惯性释放方法获取关门时产生的动态力，然后采用应变疲劳法预测门内板的疲劳寿命。根据惯性释放方法的原理， 首先计算侧门内板的第一阶固有频率为30HZ，远大于外力的频率(约为10HZ)。基于此，关门耐久性分析流程如下图2:
图2 疲劳分析流程图
评估关门过程中的惯性力；
计算锁扣力；
对标试验，根据锁扣力选取合适的载荷缩放因子；
计算内板的疲劳寿命。
2.1评估slam过程中的惯性力
采用RADIOSS惯性释放方法进行分析，单位力矩施加在铰链旋转轴上，设置PARAM,ineria,-1惯性释放方法,采用SUPORT约束铰链轴的除轴向旋转外的所有自由度。为了输出所有节点的惯性力大小，采用.pligext file文件输出,卡片设置为PARAM,PLIGEXT,YES[3]。
2.2计算锁扣力
把.pligext文件中包含的模型所有节点惯性力作为输入，采用静态线性计算，便可以获得门锁反力，本文分析引入载荷缩放因子，卡片形式为PARAM,CP2。删除上一步分析中的SUPORT约束，采用SPC约束铰链的所有自由度及门锁的三个移动自由度，约束方式如下图3。在首次分析中，载荷缩放因子选择1。
2.3选取载荷缩放因子[1]
载荷缩放因子的正确合理选择至关重要。在应力评估之前，惯性力首先要能补偿关门能量。侧门的耐久试验中， 不同的环境条件下各种关门能量进行的试验次数如表1中所示。在本文中，关门能量设定为30J。根据试验中获得的锁扣力可以确定锁扣力缩放因子。
FLF=试验得锁扣力/单位转矩仿真反力 (1)
2.4疲劳预测
在汽车工业中，结构的疲劳采用“安全寿命”法，即疲劳寿命要限制在裂纹萌生阶段。本文采用应变疲劳分析方法进行侧门内板的疲劳寿命计算，在RADIOSS中，集成了疲劳的分析方法。因此在静态分析的基础上，调整载荷缩放因子，并设置疲劳分析工况[4]如图4，便可获取疲劳寿命分布。
3分析方法验证
3.1仿真预测与试验对标
为了验证该仿真方法，分析结果和试验结果的对比必不可少，图5显示了侧门内板疲劳分析结果。分析结果显示此处的寿命值为0.337个周期，即不到一个试验周期便出现疲劳破坏。在试验中，发现左前门内板开裂，长约210mm，已完成0.67个试验周期，如图6。由图5和图6对比可知，在识别疲劳风险区域上，该分析方法与试验一致性较好。
3.2开裂原因分析及优化方案的提出
由应力分布可知，开裂处的应力值较大。分析具体结构的传力路径发现，该处结构薄弱，在关门时受冲击力应力值偏大。为了消除车门内板应力集中的现象，可以延长门锁加强板，具体的优化方法如图7。
3.3优化结构验证
结构优化后进行仿真验证，优化后内板的疲劳寿命分布如图8。图8中可以看出，内板最小寿命为1.634个周期，满足目标值，即1.6个周期。该优化方法解决了锁扣处的疲劳开裂问题。经过试验验证，优化后的侧门结构没有出现疲劳裂纹，与仿真结果一致。
4结论
本文采用惯性释放方法预测了侧门内板关门工况下的动态载荷和疲劳寿命。通过与试验分析结果的对比，证明该试验方法预测结果的准确性，在此基础上，我们提出了优化方案并进行仿真和试验验证。本文采用的疲劳预测方法简单，对建模和计算时间要求比较低，并且RADIOSS软件提供良好的疲劳计算方法，使该方法简捷有效，准确地预测出了疲劳危险区域，有效缩短设计开发时间，降低成本。
5参考文献
[1]S.Baskar, Door structural slam durability inertia relief approach. SAE paper No.982309，1998.
[2]叶青，洪光辉，王得天，汪霞. 惯性释放在汽车飞翼门slam分析中的应用. 计算机辅助工程，Vol.20, No.2, 2011.6.
[3]HyperWorks 11.0 Help(end)
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(9/16/2013) |
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