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【干貨】一文了解車(chē)身開(kāi)閉件耐久分析

2019-03-02 09:23:58·  來(lái)源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
汽車(chē)開(kāi)閉件是汽車(chē)車(chē)身中工藝較復(fù)雜的部件，它涉及到零件沖壓、包邊焊接、零部件裝配、總成組裝等工序，對(duì)尺寸配合和工藝技術(shù)都要求嚴(yán)格。汽車(chē)開(kāi)閉件主要包括汽車(chē)
汽車(chē)開(kāi)閉件 是汽車(chē)車(chē)身中工藝較復(fù)雜的部件，它涉及到零件沖壓、包邊焊接、零部件裝配、總成組裝等工序，對(duì)尺寸配合和工藝技術(shù)都要求嚴(yán)格。汽車(chē)開(kāi)閉件主要包括汽車(chē)四門(mén)兩蓋（四個(gè)車(chē)門(mén)、機(jī)蓋、行李箱蓋及某些MPV特有的滑移門(mén)等）結(jié)構(gòu)及其金屬結(jié)構(gòu)件。汽車(chē)開(kāi)閉件工程師的主要工作內(nèi)容：負(fù)責(zé)汽車(chē)四門(mén)兩蓋結(jié)構(gòu)及零部件的方案設(shè)計(jì)和發(fā)布，并繪制和改進(jìn)車(chē)身及零部件的工程圖；根據(jù)斷面完成四門(mén)兩蓋鈑金設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析；制定車(chē)身及零部件的質(zhì)量改進(jìn)、技術(shù)升級(jí)、降低成本工作計(jì)劃并實(shí)施。汽車(chē)開(kāi)閉件是車(chē)身關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)件，其靈活性、堅(jiān)固性、密封性等方面的缺點(diǎn)易暴露，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的使用質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。因此，生產(chǎn)商對(duì)開(kāi)閉件的制造均十分重視，汽車(chē)開(kāi)閉件質(zhì)量的好壞，實(shí)際上也直接反映了生產(chǎn)商的工藝制作水平的高低。本文重點(diǎn)講述一下車(chē)身開(kāi)閉件的耐久分析方法 。
目前主流整車(chē)研發(fā)企業(yè)，在真實(shí)樣車(chē)完成試制之前，對(duì)車(chē)身開(kāi)閉件的開(kāi)閉耐久性能虛擬開(kāi)發(fā)，主要有三種評(píng)價(jià)方法：慣性釋放法、多體動(dòng)力學(xué)法和瞬態(tài)非線性方法。本文簡(jiǎn)單介紹了三種分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)及在汽車(chē)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(shí)產(chǎn)生的鎖扣力，預(yù)測(cè)車(chē)身開(kāi)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(guò)程中的慣性力，計(jì)算鎖扣力；為確保仿真的精確性，慣性釋放法需要通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，確定鎖扣載荷；最后評(píng)估應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，通過(guò)應(yīng)變疲勞方法預(yù)測(cè)開(kāi)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(jiǎn)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(píng)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(jiǎn)單，不含復(fù)雜的白車(chē)身；計(jì)算利用線性分析，響應(yīng)和迭代快速。難點(diǎn)是仿真過(guò)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(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的支撐，而且無(wú)法考慮過(guò)程中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)及材料、接觸等非線性因素。
 
多體動(dòng)力學(xué)法
 
用多體動(dòng)力學(xué)（MBD）法評(píng)估車(chē)身關(guān)閉件的結(jié)構(gòu)耐久性能，相對(duì)比較簡(jiǎn)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(cè)其疲勞壽命。多體模型中，關(guān)閉件的鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)關(guān)閉件的疲勞壽命。
多體動(dòng)力學(xué)法評(píng)估車(chē)身關(guān)閉件的結(jié)構(gòu)耐久性能，把車(chē)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(dòng)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(píng)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(yàn)數(shù)據(jù)的支撐和對(duì)標(biāo)，這是應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)法精確評(píng)估車(chē)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(mén)鎖機(jī)構(gòu)、緩沖塊、氣動(dòng)/電動(dòng)撐桿等，同時(shí)考慮了周邊匹配的白車(chē)身部分，如在前蓋的SLAM分析過(guò)程中同時(shí)也考核水箱上橫梁、大燈支架等車(chē)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(guò)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(jì)算，鉸鏈旋轉(zhuǎn)、緩沖塊撞擊、撐桿的壓縮和拉伸、門(mén)鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，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(lái)（如下面的動(dòng)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(cè)。
瞬態(tài)非線性方法模擬關(guān)閉件SLAM過(guò)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(guò)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(guò)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(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、迭代過(guò)程慢等缺陷，而且，精確模擬門(mén)鎖內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的往復(fù)振動(dòng)和能量傳遞、以及密封條管內(nèi)氣壓變化對(duì)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(chē)身關(guān)閉件SLAM過(guò)程中耐久性能的三種主流方法，共同之處都是都需要通過(guò)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(cè)。其中慣性釋放法與多體動(dòng)力學(xué)法模型簡(jiǎn)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(guò)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(chē)身零部件。要想精確預(yù)測(cè)關(guān)閉件鈑金及焊點(diǎn)的壽命，三種方法都離不開(kāi)大量的歷史數(shù)據(jù)積累及工程師自身的經(jīng)驗(yàn)與判斷。
 
上海汽車(chē)乘用車(chē)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(jí)車(chē)，前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用瞬態(tài)非線性法預(yù)測(cè)開(kāi)閉件疲勞壽命，可以準(zhǔn)確的識(shí)別開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題，并進(jìn)行多輪優(yōu)化，把性能風(fēng)險(xiǎn)控制在開(kāi)發(fā)階段。最終所有開(kāi)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(guò)60余萬(wàn)次循環(huán)的最嚴(yán)苛物理試驗(yàn)驗(yàn)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(chē)飛翼門(mén)slam分析中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)輔助工程 2011年6月 
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