1 引言
車門是汽車的重要部件，具有隔絕車外噪聲，緩沖來自外部沖擊的作用。在日常使用中，由于車門的反復開關，可能會發生疲勞破壞，從而導致車門開裂、油漆脫落等問題，直接影響其使用性能和美觀。在汽車開發設計中，車門的開關耐久性已經成為評價車門品質好壞的一個重要指標。對車門的開關耐久試驗，能夠得到比較可靠的結果，但需要比較長的時間，當發現有耐久性問題時，就需要更改設計，修改樣件，重新進行試驗，將會增加汽車開發時間和成本。隨著計算機數值模擬技術的發展，工程師們已經開始嘗試通過有限元方法模擬車門的開關耐久，預測其疲勞壽命。LMS公司使用模態疊加方法，提取試驗中的局部應力歷程，將其轉化成疲勞壽命預測；上汽集團的沈佳等應用基于LS-Dyna的顯式非線性分析計算的車門撞擊強度結果，再進行疲勞分析，計算出關注部件在經歷所有循環載荷次數后的累積損傷。
本文以某卡車車門為對象，采用瞬態響應法模擬其開關強度，在此基礎上，進行疲勞壽命計算，并對其進行試驗驗證。
2 基于瞬態響應法的車門開關強度分析
2.1有限元模型的建立
卡車車門主要由內板、外板、玻璃、升降器、鉸鏈、加強板等組成，車門開關耐久試驗包括車門全關、半關和全開三種狀態，此次模擬為玻璃全關狀態下的開關強度，這種狀態由于車門重心較另兩種狀態要高，因此為最惡劣狀態，且在日常使用中為最為常見狀態，所建立的強度分析模型如圖1，單元尺寸為lOmm，鈑金件采用殼單元，鉸鏈、粘膠采用實體單元分網，整個模型共包括44977個單元，48919個節點，玻璃與窗框采用彈簧單元連接，玻璃升降器中的轉動副和滑動副采用節點自由度耦合，附屬件的質量通過剛性單元連接到各安裝點。
圖1 車門FEA模型
圖1中，1代表左上緩沖塊；2代表右上緩沖塊；3代表鎖扣；4代表鉸鏈；5代表左下緩沖塊。
圖2 加載力曲線
邊界條件：約束上下鉸鏈與車身安裝處1-5自由度；根據同級別車門開關試驗所得數據簡化處理后作為計算模型加載條件，在緩沖塊和鎖扣位置分別沿Y方向施加相應的力，力的大小如圖2曲線所示，在密封條處沿Y方向加0.008Mpa的壓強。
所采用材料參數見表1。
表1 材料特性
2.2強度計算結果
強度應力云圖及最大應力節點的應力時間歷程如圖3所示，應力最大值為436MPa，位于靠近鉸鏈位置的加強板處，表2列出了各部件應力值最大節點的應力情況。
圖3 應力結果
表2 各部件應力值最大節點的應力大小
3 疲勞分析
3.1應變疲勞分析方法
對于循環應力水平較低、壽命長的情況，用應力一壽命曲線（S-N曲線）來描述其疲勞性能是恰當的。然而，許多工程構件，在其整個使用壽命期間，所經歷的循環次數并不多，因此其設計應力或應變水平可以高一些，以充分發揮材料的潛力，對于延性較好的材料，屈服后應變的變化比較大，應力的變化小。因此用應變作為疲勞性能控制參量相對要好一些。
上面的強度分析結果表明，應力結果比較大，超過了材料的屈服強度，且車門的開關耐久設計要求最低壽命次數大于84000次，屬于中低周疲勞問題，因此對其做應變疲勞分析。其材料屬性相應選擇E-N曲線，圖4為車門其中一種材料的E-N曲線。
圖4 E-N曲線
對本文中車門的開關耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper平均應力修正法，疲勞系數取1，材料均不做表面處理。
3.2疲勞分析結果
基于強度分析結果和材料的E-N曲線，計算得出車門開關的疲勞壽命，圖5是車門外板的壽命結果，可以看出，在門把手支架處疲勞壽命為91400次，該位置在整個車門中疲勞壽命最低；圖6為強度計算中應力最大構件一加強板的疲勞壽命云圖，其最低壽命為43290次；表3列出了其它部件的最低壽命次數。
圖5 車門外板疲勞壽命云圖
圖6 加強板板疲勞壽命云圖
表三 各部件最低疲勞壽命次數
根據設計要求，車門開關耐久最低壽命次數為84000次，由上表可以看出，各部件的最低壽命均能滿足要求。
4 車門開關耐久試驗
4.1試驗方法
設置門的循環測試裝置，使其能夠在在門全開的位置施加一個載荷產生（相對門鉸鏈）的14N?m的過開力矩。調節關門沖擊裝置來產生13.6J關門能量或等效速度。
先進行84000次開關門試驗，監測試驗過程，如果出現失效，則判定不合格，終止試驗；如未出現失效，判定為合格，并繼續進行摸底試驗，直至失效為止，記錄失效情況，開關次數。圖7為試驗圖片。
圖7 車門開關耐久試驗圖片
圖8 門把手支架疲勞失效
4.2試驗結果
經過84000次循環后，結果顯示試驗過程中無異常，各零部件狀態良好、無裂紋產生，滿足設計要求。繼續進行摸底試驗，至10.1萬次時，車門把手支架出現斷裂，試驗機終止試驗。圖8為門把手支架失效圖。
將仿真結果與試驗結果對比，可以看出，疲勞失效位置一致，最低疲勞壽命數值上誤差為9.5%，仿真結果與試驗結果基本一致。
5 結論
1)采用瞬態響應法模擬了車門一次開關過程，得到了離散化后的車門結構各節點的應力時間歷程。
2)在強度分析結果基礎上，采用E-N應變分析方法做了疲勞計算，并做了試驗驗證，數值模擬結果與試驗結果吻合較好。
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本文標題：車門開關耐久有限元分析及試驗研究
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