摘要

在整車(chē)研制過(guò)程中，車(chē)門(mén)閉鎖耐久性評(píng)估在車(chē)身閉鎖系統(tǒng)疲勞壽命評(píng)估中占有重要地位。到目前為止，人們已經(jīng)考慮了各種影響，以更好地代表門(mén)的耐久性性能的關(guān)門(mén)模擬。如今，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的廣泛應(yīng)用，為了獲得與物理測(cè)試一樣精確的結(jié)果，模擬程序不斷被研究。在現(xiàn)實(shí)的情況下，客戶(hù)經(jīng)常會(huì)克服密封的艙室產(chǎn)生的關(guān)閉壓力才能關(guān)上艙門(mén)。艙室壓力與關(guān)門(mén)的方向相反，提供阻尼效果，影響并最大限度地減少對(duì)結(jié)構(gòu)的整體損壞。目前，仿真的重點(diǎn)是通過(guò)計(jì)算密封件和閂鎖損失的能量來(lái)確定關(guān)門(mén)所需的總能量。在分析中往往忽略了克服氣結(jié)效應(yīng)所需的能量。本文研究了空氣約束對(duì)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)耐久性的影響，采用顯式解算器中的應(yīng)力分析和疲勞解算器中的應(yīng)變-壽命分析，模擬了客戶(hù)在10年汽車(chē)生命周期中的使用情況。

引言

采用CAE分析方法，對(duì)實(shí)際工況下車(chē)門(mén)的耐久性進(jìn)行了評(píng)估。在汽車(chē)工業(yè)中，關(guān)門(mén)速度(DCV)是分析關(guān)門(mén)耐久性的重要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí)也說(shuō)明了車(chē)輛的質(zhì)量和車(chē)輛的工程質(zhì)量。Mahadule R.等人的研究提供了一個(gè)計(jì)算關(guān)門(mén)力的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了鉸鏈、門(mén)閂、空氣約束、門(mén)密封、門(mén)重量和門(mén)檢查帶的能量消耗。作者還開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于MS- Excel的交互式應(yīng)用程序，以計(jì)算各種設(shè)計(jì)參數(shù)的DCV和能量貢獻(xiàn)。對(duì)于艙門(mén)上玻璃位置分析，觀察到艙內(nèi)空氣壓力導(dǎo)致關(guān)門(mén)力的主要能量貢獻(xiàn)量。

Pereira F.等人的研究提供了一種簡(jiǎn)化的方案來(lái)衡量關(guān)門(mén)過(guò)程中的組件級(jí)別貢獻(xiàn)。Unadkat, S.等人的研究重點(diǎn)是通過(guò)對(duì)關(guān)門(mén)事件的動(dòng)態(tài)分析來(lái)改進(jìn)門(mén)的設(shè)計(jì)。

在分析中常常不考慮克服氣結(jié)效應(yīng)所需要的能量。這項(xiàng)工作致力于建立一種復(fù)雜的方法來(lái)可視化和分析空氣約束對(duì)側(cè)擺門(mén)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)特征的影響。采用聯(lián)合仿真方法，利用基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的壓力載荷輸入數(shù)據(jù)，模擬關(guān)門(mén)事件過(guò)程中的氣阻效應(yīng)。

氣阻效應(yīng)

如圖1所示，封閉艙室的關(guān)門(mén)工況是一種典型的車(chē)門(mén)操作工況。艙內(nèi)空氣壓力造成的能量消耗是整個(gè)關(guān)門(mén)過(guò)程中的一個(gè)重要因素。在關(guān)門(mén)過(guò)程中，一部分空氣被推入艙內(nèi)，這種效應(yīng)被稱(chēng)為“氣阻效應(yīng)”。在密封壓縮過(guò)程中，艙門(mén)間隙面積接近零，空氣在艙內(nèi)被迅速壓縮。大部分空氣通過(guò)車(chē)門(mén)間隙和車(chē)內(nèi)的通風(fēng)口排出。當(dāng)研究壓力隨門(mén)位移變化的曲線(xiàn)圖時(shí)，在閉鎖狀態(tài)下觀察到一個(gè)峰值，并最終隨著空氣從通風(fēng)口排出而下降。圖2顯示了氣阻效應(yīng)引起的壓力變化。

圖1 典型的車(chē)門(mén)在半開(kāi)的位置

圖2 由于氣阻效應(yīng)而引起的壓力變化

總能量是由密封空氣腔、密封剛度、鉸鏈摩擦、門(mén)閂、檢查帶、門(mén)重量和艙內(nèi)氣壓等參數(shù)的能量消耗之和計(jì)算出來(lái)的。

在圖3中觀察到，艙內(nèi)空氣壓力是門(mén)上玻璃位置的關(guān)門(mén)力的主要貢獻(xiàn)量。

圖3 關(guān)門(mén)力的能量貢獻(xiàn)

CAE方法論

關(guān)門(mén)測(cè)試的目的是在10年的車(chē)輛生命周期內(nèi)，對(duì)客戶(hù)車(chē)門(mén)的功能和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行虛擬評(píng)估。為了研究客艙空氣壓力對(duì)車(chē)門(mén)耐久性的影響，首先按照既定程序進(jìn)行分析。

圖4 門(mén)關(guān)閉時(shí)壓力增加(剖面圖)

采用ABAQUS包中流體結(jié)構(gòu)相互作用(FSI)的任意拉格朗日-歐拉(ALE)方法進(jìn)行了概念試驗(yàn)，建立了一個(gè)真實(shí)的模型。在封閉的小隔間空間中進(jìn)行了基本試驗(yàn)，以復(fù)制艙室和可以復(fù)制門(mén)的移動(dòng)物體，如圖4所示。簡(jiǎn)化的艙室和艙門(mén)模型包含在一個(gè)用實(shí)體元素離散的立方體表示的空氣環(huán)境中。材料的力學(xué)性能被認(rèn)為與變形速率無(wú)關(guān)。概念試驗(yàn)的輸出與預(yù)期讀數(shù)一致。主要缺點(diǎn)是由于歐拉域的離散化必須比拉格朗日域的離散化要精細(xì)，因此模擬的時(shí)間消耗大。

考慮到所有方面，采用了替代方法。

目前的工作采用了聯(lián)合模擬的方法，以納入客艙氣壓的影響。利用CFD軟件包采集了閉門(mén)工況下的瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)。將采集到的壓力數(shù)據(jù)用mapper工具映射到有限元關(guān)門(mén)模型上，然后用顯式求解器進(jìn)行關(guān)門(mén)仿真，進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估。疲勞模擬在疲勞求解器中進(jìn)行，利用沖擊模擬得到的應(yīng)力歷史進(jìn)行疲勞模擬。

關(guān)門(mén)模型設(shè)置

模擬采用全尺寸車(chē)門(mén)模型。有限元模型由白門(mén)(DIW)、白車(chē)身(BIW)、門(mén)與車(chē)身鉸鏈、門(mén)飾件、門(mén)模塊、門(mén)與車(chē)身密封條、門(mén)玻璃、門(mén)保險(xiǎn)杠和門(mén)閂組成，如圖5所示。

為了模擬門(mén)、本體、鉸鏈、門(mén)閂和密封件的變形情況，采用適當(dāng)?shù)牟牧蠑?shù)據(jù)，用結(jié)構(gòu)單元表示。

對(duì)于物理撞擊測(cè)試，門(mén)被完全打開(kāi)角度。但為了降低計(jì)算成本，在虛擬測(cè)試中，門(mén)被打開(kāi)1.5度，角速度等效于摔門(mén)速度。如圖6所示，在所有自由度(DOF)下對(duì)車(chē)身切割截面進(jìn)行約束。

圖5 典型的車(chē)門(mén)和車(chē)身結(jié)構(gòu)

圖6 關(guān)門(mén)模型設(shè)置

CFD仿真

CFD模擬能夠處理流體流動(dòng)及其與固體的相互作用的研究?？諝獗徽J(rèn)為是一種可壓縮流體，因此一種數(shù)值方法可以用來(lái)確定艙內(nèi)空氣壓力波動(dòng)在門(mén)關(guān)閉。整個(gè)過(guò)程只需要很短的時(shí)間，大部分在幾百毫秒之內(nèi)。因此，為了識(shí)別由于夾帶空氣導(dǎo)致的瞬態(tài)壓力上升，CFD模擬是一種非常有效的替代方法。當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，空氣對(duì)它產(chǎn)生了阻力，這種阻力是看不見(jiàn)的，但在門(mén)的內(nèi)飾上存在著一定數(shù)量的阻力。為了預(yù)測(cè)這種空氣阻力在空氣壓力方面的CFD方法被發(fā)展。

CFD仿真設(shè)置

為了重現(xiàn)門(mén)的運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)網(wǎng)格是必要的。在文獻(xiàn)調(diào)查當(dāng)中，使用用戶(hù)定義的子程序(UDS)來(lái)指定移動(dòng)門(mén)的運(yùn)動(dòng)，該子程序在旋轉(zhuǎn)時(shí)使網(wǎng)格變形?，F(xiàn)代軟件的發(fā)展允許使用重疊動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。重疊網(wǎng)格主要用于離散一個(gè)計(jì)算域，多個(gè)不同的網(wǎng)格以任意的方式相互重疊。因此，它可以是最有用的問(wèn)題處理多個(gè)或運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，以及優(yōu)化研究。

在重疊網(wǎng)格中，細(xì)胞聚集成活性單元、惰性單元或受體細(xì)單元。在活性單元內(nèi)，處理離散的控制條件。在惰性單元內(nèi)，不解決任何條件；然而，如果反轉(zhuǎn)邊界移動(dòng)，這些單元可以變得活躍。受體單元分離背景區(qū)域的活性單元和惰性單元，并與重疊區(qū)域的重疊邊界結(jié)合。

利用受體單元來(lái)耦合兩個(gè)重疊網(wǎng)格上的結(jié)果。為了捕獲靠近壁面和邊界的流動(dòng)，可以增加棱柱層網(wǎng)格。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)分析比較，重疊網(wǎng)格給出了很好的數(shù)值解。

為了開(kāi)發(fā)一種用于運(yùn)動(dòng)車(chē)門(mén)的重疊網(wǎng)格方法，分別在一個(gè)小長(zhǎng)方體上和在一個(gè)虛擬汽車(chē)座艙上進(jìn)行了概念試驗(yàn)和概念驗(yàn)證。由于這是一個(gè)汽車(chē)座艙，所以在研究之初很少做如下的基本假設(shè)，

?汽車(chē)被認(rèn)為是在穩(wěn)定位置

?車(chē)輛點(diǎn)火關(guān)閉，沒(méi)有輔助設(shè)備運(yùn)行

?車(chē)輛周?chē)欠€(wěn)定的空氣在大氣條件

?所有玻璃窗正在關(guān)閉

?只有一個(gè)門(mén)(Co-driver側(cè))開(kāi)放其最大可能限制

?門(mén)是關(guān)閉在恒定的角速度

?通過(guò)設(shè)置孔和排氣裝置來(lái)考慮車(chē)體泄漏

基于上述假設(shè)下的概念試驗(yàn)結(jié)果，最終確定了求解器的細(xì)節(jié)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的網(wǎng)格獨(dú)立研究以確定網(wǎng)格尺寸。在網(wǎng)格獨(dú)立研究的基礎(chǔ)上，確定了網(wǎng)格參數(shù)。

圖7 截面CFD重疊網(wǎng)格視圖

圖8 CFD仿真模型 (a)門(mén)開(kāi)啟(b)門(mén)關(guān)閉

圖9 關(guān)門(mén)速度下的內(nèi)門(mén)表面壓力分布 (a) CFD曲面(b)映射曲面

結(jié)果與數(shù)據(jù)采集

對(duì)門(mén)內(nèi)側(cè)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，采用平均壓力分布拾取法得到內(nèi)表面壓力值的圖形表示。由于關(guān)門(mén)場(chǎng)景是幾百毫秒，所以使用了非常小的1毫秒(0.001秒)的時(shí)間步長(zhǎng)。這些開(kāi)門(mén)運(yùn)動(dòng)都是按照組織的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行的。采用一種自停止門(mén)速度場(chǎng)函數(shù)來(lái)提供角位移和到達(dá)門(mén)閂位置時(shí)的有限停止。為了簡(jiǎn)化模擬和降低運(yùn)行時(shí)間，門(mén)保持近似。開(kāi)放成度為從其最大開(kāi)放位置的35-40%。

壓力映射

由此得到的門(mén)板內(nèi)飾的壓力標(biāo)量和相應(yīng)的壓力值被映射到網(wǎng)格面上，并用于進(jìn)一步的關(guān)門(mén)模擬應(yīng)力計(jì)算。CFD曲面與映射的CAE曲面的可視化對(duì)比如圖9所示。

圖9內(nèi)門(mén)內(nèi)飾的平均壓力與時(shí)間圖表中，顯示了內(nèi)門(mén)內(nèi)飾在最大壓力點(diǎn)的壓力表示。

圖10以非常精細(xì)的方式表示了關(guān)門(mén)速度為120%時(shí)僅100 ms(0.1秒)的數(shù)據(jù)。圖10中的點(diǎn)“A”表示門(mén)內(nèi)側(cè)的最大壓力，如圖9所示。A點(diǎn)之后的一個(gè)非常陡峭的下降是由于空氣移動(dòng)到車(chē)的另一邊，第二個(gè)曲線(xiàn)是由于在客艙到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)之前同一扇門(mén)上的反彈空氣波。類(lèi)似地，還生成了其他關(guān)門(mén)速度的數(shù)據(jù)。

圖10 內(nèi)門(mén)壓力與時(shí)間的關(guān)系圖

圖11 DCV 120%和140%及撞擊條件下的瞬態(tài)壓力圖

門(mén)上的壓力變化

由于門(mén)是唯一移動(dòng)的物體，所以它會(huì)壓縮艙內(nèi)的空氣，而空氣會(huì)對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，并在門(mén)表面產(chǎn)生壓力。使用圖11中的方法測(cè)量這種變化。在閉鎖位置觀察到壓力的尖峰，壓力的突然下降是由于壓力波在門(mén)剛剛關(guān)閉時(shí)從門(mén)表面?zhèn)鞑サ綄?duì)面的墻，并再次擊中門(mén)表面，導(dǎo)致突然上升，這一信息可以用來(lái)確定所需的關(guān)門(mén)力。撞擊條件在10fps時(shí)峰值最高，其次分別為140%和120%的DCV。

計(jì)算了DCV 140%、DCV 120%和撞擊三種不同速度下的壓力數(shù)據(jù)。

利用結(jié)果映射工具，將CFD分析得到的瞬態(tài)壓力數(shù)據(jù)映射到CAE設(shè)置上。來(lái)自CFD分析的壓力輸出映射到應(yīng)力評(píng)估網(wǎng)格，作為耐久性分析的負(fù)載。

疲勞分析

根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算門(mén)和車(chē)身部件的疲勞壽命，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。疲勞模擬在nCode中進(jìn)行，利用沖擊模擬得到的應(yīng)力歷史。在疲勞分析中采用Neuber方法進(jìn)行塑性應(yīng)力修正。Neuber方法在平均應(yīng)力集中時(shí)估計(jì)總彈塑性應(yīng)變和應(yīng)力。

結(jié)果與討論

利用CFD的壓力輸入對(duì)關(guān)門(mén)速度進(jìn)行了耐久性模擬。模擬結(jié)果監(jiān)測(cè)能量平衡，沖擊和密封力數(shù)據(jù)，以及門(mén)和車(chē)身部件的應(yīng)力和疲勞壽命。然后比較了有無(wú)氣阻效果的結(jié)果。

氣阻效應(yīng)對(duì)關(guān)門(mén)力影響

如圖12、13和14所示，在考慮氣阻效應(yīng)的關(guān)門(mén)模擬中，可以觀察到能量、密封和沖擊力的顯著變化。必須對(duì)系統(tǒng)做外部功，以克服空氣對(duì)關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)的壓力形式的阻力。

撞針以及密封條影響

與門(mén)運(yùn)動(dòng)方向相反的空氣施加的壓力對(duì)暴露表面產(chǎn)生緩沖作用。這種緩沖作用減少了作用在閂鎖和撞針上的力，從而在一定程度上防止了由循環(huán)加載造成的損壞。對(duì)比圖15和圖16，關(guān)門(mén)耐久性的疲勞壽命有明顯的差異。

圖12 考慮和不考慮氣阻效應(yīng)的模擬能量比較

圖13 仿真考慮和不考慮氣阻效應(yīng)時(shí)的撞針力比較

圖14 仿真考慮和不考慮氣阻效應(yīng)時(shí)的總密封碰撞力比較

圖15 常規(guī)關(guān)門(mén)耐久性的疲勞壽命評(píng)估(無(wú)氣阻效應(yīng))

圖16 結(jié)合氣阻效應(yīng)的關(guān)門(mén)耐久性疲勞壽命評(píng)估

總結(jié)

在真實(shí)的密閉艙室環(huán)境中，艙門(mén)客服氣阻效應(yīng)。關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)在艙室內(nèi)部產(chǎn)生一種主要沿與門(mén)表面垂直方向傳播的壓力波。這種波提供了一種阻尼效應(yīng)，并將結(jié)構(gòu)的整體損傷降至最低。

從CAE結(jié)果的比較中可以看出，模擬中的氣阻效應(yīng)給出了更實(shí)用的解讀。

結(jié)合氣阻效應(yīng)的疲勞壽命評(píng)估結(jié)果表明，門(mén)和車(chē)身部件的疲勞壽命提高了50%，這為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)。

與傳統(tǒng)方法相比，采用CFD壓力輸入的聯(lián)合模擬方法產(chǎn)生的空氣綁定效應(yīng)仍然更接近真實(shí)世界的情況。

未來(lái)可以研究車(chē)輛動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的艙內(nèi)氣壓變化，即壓力隨時(shí)間的變化。

文章出處：Mahadule, R., Rege, K., and Gaikwad, S., "Air Bind Effect on Door Slam Durability Performance," SAE Technical Paper 2021-01-0822, 2021, https://doi.org/10.4271/2021-01-0822.