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車身開閉件耐久分析簡介

2019-01-02 22:03:55·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
車身開閉件、耐久分析簡介車身開閉件，包括發(fā)蓋、前門、后門、尾門、行李箱蓋及某些MPV特有的滑移門等。車身開閉件對消費(fèi)者而言，不僅以其外觀造型起到第一吸睛
車身開閉件、耐久分析簡介
 
車身開閉件，包括發(fā)蓋、前門、后門、尾門、行李箱蓋及某些MPV特有的滑移門等。車身開閉件對消費(fèi)者而言，不僅以其外觀造型起到第一吸睛作用，而且因其開閉功能性——主要指較長一段時間使用后，是否能保持功能完整的耐久性能及用戶對開閉件的主觀感知，成為消費(fèi)者良性傳播的口碑，對汽車消費(fèi)起到不可或缺的作用。
目前主流整車研發(fā)企業(yè)，在真實(shí)樣車完成試制之前，對車身開閉件的開閉耐久性能虛擬開發(fā)，主要有三種評價方法：慣性釋放法、多體動力學(xué)法和瞬態(tài)非線性方法。本文簡單介紹了三種分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及在汽車研發(fā)中的運(yùn)用（文中的疲勞僅指鈑金及焊點(diǎn)的疲勞特性）。
 
慣性釋放法
 
慣性釋放法基于外部載荷與慣性力之間存在近似平衡的假設(shè)，獲取關(guān)閉時產(chǎn)生的鎖扣力，預(yù)測車身開閉件疲勞壽命的一種方法。使用慣性釋放方法，首先需要確保關(guān)閉件的一階固有頻率，排除產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振的可能性；其次利用關(guān)閉過程中的慣性力，計算鎖扣力；為確保仿真的精確性，慣性釋放法需要通過與歷史數(shù)據(jù)對比，確定鎖扣載荷；最后評估應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，通過應(yīng)變疲勞方法預(yù)測開閉件鈑金的疲勞壽命。
 
慣性釋放法采用的分析模型，包括只含鈑金的關(guān)閉件（Clousre in White）及簡單的附件，如密封條、緩沖塊、玻璃、鉸鏈等，其他附件可用質(zhì)量點(diǎn)代替，下圖是典型的慣性釋放法評估應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的模型。
慣性釋放法的優(yōu)點(diǎn)是模型簡單，不含復(fù)雜的白車身；計算利用線性分析，響應(yīng)和迭代快速。難點(diǎn)是仿真過程中的精確確定和調(diào)整，需要依靠大量歷史數(shù)據(jù)及工程師開發(fā)經(jīng)驗的支撐，而且無法考慮過程中的動態(tài)效應(yīng)及材料、接觸等非線性因素。
 
多體動力學(xué)法
 
用多體動力學(xué)（MBD）法評估車身關(guān)閉件的結(jié)構(gòu)耐久性能，相對比較簡單而且迭代快速。按下圖所示流程及關(guān)閉件的有限元模型，可快速預(yù)測其疲勞壽命。多體模型中，關(guān)閉件的鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)簡化成剛體單元，緩沖塊則用具備非線性剛度特性的彈簧單元模擬，關(guān)鍵鈑金結(jié)構(gòu)則定義成柔性體，獲取關(guān)鍵接觸部位的載荷，最終根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變及變形效果預(yù)測關(guān)閉件的疲勞壽命。
多體動力學(xué)法評估車身關(guān)閉件的結(jié)構(gòu)耐久性能，把車身部分看作是剛體，而把關(guān)閉件定義為柔性體。利用多體動力學(xué)分析獲取關(guān)鍵部位的載荷，可得到相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變性能，從而評估其耐久性能。然而，考慮鎖機(jī)構(gòu)、密封條及緩沖塊加載-變形的非線性特性，往往需要大量的前期試驗數(shù)據(jù)的支撐和對標(biāo)，這是應(yīng)用多體動力學(xué)法精確評估車身關(guān)閉件結(jié)構(gòu)耐久性能的必要功課。
 
瞬態(tài)非線性法
 
瞬態(tài)非線性法仿真所用有限元數(shù)模最全面，既包括關(guān)閉件本身及相關(guān)附件，如密封條、門鎖機(jī)構(gòu)、緩沖塊、氣動/電動撐桿等，同時考慮了周邊匹配的白車身部分，如在前蓋的SLAM分析過程中同時也考核水箱上橫梁、大燈支架等車身鈑金件的耐久性能，下圖是典型的前蓋SLAM模型。
瞬態(tài)非線性法仿真過程以真實(shí)物理關(guān)閉速度作為輸入，采用顯式非線性進(jìn)行計算，鉸鏈旋轉(zhuǎn)、緩沖塊撞擊、撐桿的壓縮和拉伸、門鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動，以及部件之間的相互接觸，都能在前期的瞬態(tài)分析中被模擬出來（如下面的動圖）。最后根據(jù)關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果及材料的疲勞特性進(jìn)行壽命預(yù)測。
瞬態(tài)非線性方法模擬關(guān)閉件SLAM過程，既能綜合考慮關(guān)鍵部位金屬材料的非線性特性及部件之間的接觸非線性，還能考慮到包括密封條、緩沖塊在內(nèi)的非金屬材質(zhì)部件在關(guān)閉過程中起到的吸能和緩沖作用，相關(guān)焊點(diǎn)的受載模式，通過特殊的建模方式，也能得到有效模擬。但瞬態(tài)非線性方法也存在諸如模型復(fù)雜、計算時間長、迭代過程慢等缺陷，而且，精確模擬門鎖內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的往復(fù)振動和能量傳遞、以及密封條管內(nèi)氣壓變化對鈑金部件的影響，也比較困難。
 
小結(jié)與應(yīng)用
 
綜上所述，用于模擬車身關(guān)閉件SLAM過程中耐久性能的三種主流方法，共同之處都是都需要通過各種途徑獲得應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，再利用疲勞理論進(jìn)行壽命預(yù)測。其中慣性釋放法與多體動力學(xué)法模型簡單，分析和響應(yīng)快速，而瞬態(tài)非線性法則考慮全面，不僅能考慮到過程中的幾何、大變形及接觸的非線性，而且能考核關(guān)閉件及周邊匹配的車身零部件。要想精確預(yù)測關(guān)閉件鈑金及焊點(diǎn)的壽命，三種方法都離不開大量的歷史數(shù)據(jù)積累及工程師自身的經(jīng)驗與判斷。
 
上海汽車乘用車公司最新上市的全新高能一步到位榮威i5高能互聯(lián)網(wǎng)中級車，前期開發(fā)過程中使用瞬態(tài)非線性法預(yù)測開閉件疲勞壽命，可以準(zhǔn)確的識別開發(fā)過程中的問題，并進(jìn)行多輪優(yōu)化，把性能風(fēng)險控制在開發(fā)階段。最終所有開閉件成功經(jīng)受了極端溫度、濕度及嚴(yán)苛的關(guān)閉速度環(huán)境條件下的、各系統(tǒng)總數(shù)超過60余萬次循環(huán)的最嚴(yán)苛物理試驗驗證。
 
 • 參考文獻(xiàn) • 
[1] Shailesh Bayani. Virtual Simulation of Hood Slam Test. SAE International. 2011-26-0010
[2] 葉青、洪光輝等. 慣性釋放在汽車飛翼門slam分析中的應(yīng)用 計算機(jī)輔助工程 2011年6月
 
 
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