车门开关耐久有限元分析及试验研究
邓磊 余显忠 蔡志武
江铃汽车股份有限公司 江西南昌 330001
摘要：针对某卡车车门，根据同级别车门开关试验所得数据简化处理后作为计算模型加载条件，采用瞬态响应法计算其开关强度，基于强度结果做了疲劳分析，预测了疲劳强度较弱位置，并进行了试验验证，为后续的优化设计提供了参考。
1引言
车门是汽车的重要部件，具有隔绝车外噪声，缓冲来自外部冲击的作用。在日常
使用中，由于车门的反复开关，可能会发生疲劳破坏，从而导致车门开裂、油漆脱落等问题，直接影响其使用性能和美观。在汽车开发设计中，车门的开关耐久性已经成为评价车门品质好坏的一个重要指标。对车门的开关耐久试验，能够得到比较可靠的结果，但需要比较长的时间，当发现有耐久性问题时，就需要更改设计，修改样件，重新进行试验，将会增加汽车开发时间和成本。随着计算机数值模拟技术的发展，工程师们已经开始尝试通过有限元方法模拟车门的开关耐久，预测其疲劳寿命。LMS 公司使用模态叠加方法，提取试验中的局部应力历程，将其转化成疲劳寿命预测；上汽集团的沈佳等应用基于LS-Dyna 的显式非线性分析计算的车门撞击强度结果，再进行疲劳分析，计算出关注部件在经历所有循环载荷次数后的累积损伤[1]。
本文以某卡车车门为对象，采用瞬态响应法模拟其开关强度[2]，在此基础上，进行疲劳寿命计算，并对其进行试验验证。
2基于瞬态响应法的车门开关强度分析 2.1有限元模型的建立
卡车车门主要由内板、外板、玻璃、升降器、铰链、加强板等组成，车门开关耐久试验包括车门全关、半关和全开三种状态，此次模拟为玻璃全关状态下的开关强度，这种状态由于车门重心较另两种状态要高，因此为最恶劣状态，且在日常使用中为最为常见状态，所建立的强度分析模型如图1，单元尺寸为10mm ，钣金件采用壳单元，铰链、粘胶采用实体单元分网，整个模型共包括44977个单元，48919个节点，玻璃与窗框采用弹簧单元连接，玻璃升降器中的转动副和滑动副采用节点自由度耦合，附属件的质量通过刚性单元连接到各安装点。
图1：车门FEA 模型 图2：加载力曲线
1-左上缓冲块；2-右上缓冲块
3-锁扣；4-铰链；5-左下缓冲块
边界条件：约束上下铰链与车身安装处1-5自由度；根据同级别车门开关试验所得数据简化处理后作为计算模型加载条件，在缓冲块和锁扣位置分别沿Y 方向施加相应的力，力的大小如图2曲线所示，在密封条处沿Y 方向加0.008Mpa 的压强。
所采用材料参数见表1。
表1
2.2 强度计算结果
强度应力云图及最大应力节点的应力时间历程如图3所示，应力最大值为436MPa ，位于靠近铰链位置的加强板处，表2列出了各部件应力值最大节点的应力情况。
图3应力结果 表2
3疲劳分析
3.1 应变疲劳分析方法
对于循环应力水平较低、寿命长的情况，用应力-寿命曲线（S-N 曲线）来描述
其疲劳性能是恰当的。然而，许多工程构件，在其整个使用寿命期间，所经历的循环次数并不多，因此其设计应力或应变水平可以高一些，以充分发挥材料的潜力，对于延性较好的材料，屈服后应变的变化比较大，应力的变化小。因此用应变作为疲劳性能控制参量相对要好一些[3]。
上面的强度分析结果表明，应力结果比较大，超过了材料的屈服强度，且车门的开关耐久设计要求最低寿命次数大于84000次，属于中低周疲劳问题，因此对其做应变疲劳分析。其材料属性相应选择E-N 曲线，图4为车门其中一种材料的E-N 曲线。
图4 E-N曲线
对本文中车门的开关耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper 平均
应力修正法，疲劳系数取1，材料均不做表面处理。
3.2疲劳分析结果
基于强度分析结果和材料的E-N 曲线，计算得出车门开关的疲劳寿命，图5是车门外板的寿命结果，可以看出，在门把手支架处疲劳寿命为91400次，该位置在整个车门中疲劳寿命最低；图6为强度计算中应力最大构件—加强板的疲劳寿命云图，其最低寿命为43290次；表3列出了其它部件的最低寿命次数。
图5 车门外板疲劳寿命云图 图6 加强板板疲劳寿命云图
表三 各部件最低疲劳寿命次数
根据设计要求，车门开关耐久最低寿命次数为84000次，由上表可以看出，各部件的最低寿命均能满足要求。
4 车门开关耐久试验 4.1 试验方法
设置门的循环测试装置，使其能够在在门全开的位置施加一个载荷产生（相对门铰链）的14 Nm的过开力矩。调节关门冲击装置来产生13.6J 关门能量或等效速度。
先进行84000次开关门试验，监测试验过程，如果出现失效，则判定不合格，终止试验；如未出现失效，判定为合格，并继续进行摸底试验，直至失效为止，记录失效情况，开关次数。图7为试验图片。
图7 车门开关耐久试验图片 图8 门把手支架疲劳失效 4.2 试验结果
经过84000次循环后，结果显示试验过程中无异常，各零部件状态良好、无裂纹产生，满足设计要求。继续进行摸底试验，至10.1万次时，车门把手支架出现断裂，试验机终止试验。图8为门把手支架失效图。
将仿真结果与试验结果对比，可以看出，疲劳失效位置一致，最低疲劳寿命数值上误差为9.5%，仿真结果与试验结果基本一致。
5 结论
1）采用瞬态响应法模拟了车门一次开关过程，得到了离散化后的车门结构各节点的应力时间历程。
2）在强度分析结果基础上，采用E-N 应变分析方法做了疲劳计算，并做了试验验证，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
参考文献
[1] 沈佳、王国明. 基于MSC.Fatigue 的汽车开闭件撞击疲劳分析 [2]msc nastran 2007 quick reference guide
[3] 周传月、郑红霞、罗慧强. MSC. Fatigue 疲劳分析应用与实例. 科学出版社，2005 年
车门开关耐久有限元分析及试验研究
邓磊 余显忠 蔡志武
江铃汽车股份有限公司 江西南昌 330001
摘要：针对某卡车车门，根据同级别车门开关试验所得数据简化处理后作为计算模型加载条件，采用瞬态响应法计算其开关强度，基于强度结果做了疲劳分析，预测了疲劳强度较弱位置，并进行了试验验证，为后续的优化设计提供了参考。
1引言
车门是汽车的重要部件，具有隔绝车外噪声，缓冲来自外部冲击的作用。在日常
使用中，由于车门的反复开关，可能会发生疲劳破坏，从而导致车门开裂、油漆脱落等问题，直接影响其使用性能和美观。在汽车开发设计中，车门的开关耐久性已经成为评价车门品质好坏的一个重要指标。对车门的开关耐久试验，能够得到比较可靠的结果，但需要比较长的时间，当发现有耐久性问题时，就需要更改设计，修改样件，重新进行试验，将会增加汽车开发时间和成本。随着计算机数值模拟技术的发展，工程师们已经开始尝试通过有限元方法模拟车门的开关耐久，预测其疲劳寿命。LMS 公司使用模态叠加方法，提取试验中的局部应力历程，将其转化成疲劳寿命预测；上汽集团的沈佳等应用基于LS-Dyna 的显式非线性分析计算的车门撞击强度结果，再进行疲劳分析，计算出关注部件在经历所有循环载荷次数后的累积损伤[1]。
本文以某卡车车门为对象，采用瞬态响应法模拟其开关强度[2]，在此基础上，进行疲劳寿命计算，并对其进行试验验证。
2基于瞬态响应法的车门开关强度分析 2.1有限元模型的建立
卡车车门主要由内板、外板、玻璃、升降器、铰链、加强板等组成，车门开关耐久试验包括车门全关、半关和全开三种状态，此次模拟为玻璃全关状态下的开关强度，这种状态由于车门重心较另两种状态要高，因此为最恶劣状态，且在日常使用中为最为常见状态，所建立的强度分析模型如图1，单元尺寸为10mm ，钣金件采用壳单元，铰链、粘胶采用实体单元分网，整个模型共包括44977个单元，48919个节点，玻璃与窗框采用弹簧单元连接，玻璃升降器中的转动副和滑动副采用节点自由度耦合，附属件的质量通过刚性单元连接到各安装点。
图1：车门FEA 模型 图2：加载力曲线
1-左上缓冲块；2-右上缓冲块
3-锁扣；4-铰链；5-左下缓冲块
边界条件：约束上下铰链与车身安装处1-5自由度；根据同级别车门开关试验所得数据简化处理后作为计算模型加载条件，在缓冲块和锁扣位置分别沿Y 方向施加相应的力，力的大小如图2曲线所示，在密封条处沿Y 方向加0.008Mpa 的压强。
所采用材料参数见表1。
表1
2.2 强度计算结果
强度应力云图及最大应力节点的应力时间历程如图3所示，应力最大值为436MPa ，位于靠近铰链位置的加强板处，表2列出了各部件应力值最大节点的应力情况。
图3应力结果 表2
3疲劳分析
3.1 应变疲劳分析方法
对于循环应力水平较低、寿命长的情况，用应力-寿命曲线（S-N 曲线）来描述
其疲劳性能是恰当的。然而，许多工程构件，在其整个使用寿命期间，所经历的循环次数并不多，因此其设计应力或应变水平可以高一些，以充分发挥材料的潜力，对于延性较好的材料，屈服后应变的变化比较大，应力的变化小。因此用应变作为疲劳性能控制参量相对要好一些[3]。
上面的强度分析结果表明，应力结果比较大，超过了材料的屈服强度，且车门的开关耐久设计要求最低寿命次数大于84000次，属于中低周疲劳问题，因此对其做应变疲劳分析。其材料属性相应选择E-N 曲线，图4为车门其中一种材料的E-N 曲线。
图4 E-N曲线
对本文中车门的开关耐久分析，取50%存活率，采用Smith-Watson-Topper 平均
应力修正法，疲劳系数取1，材料均不做表面处理。
3.2疲劳分析结果
基于强度分析结果和材料的E-N 曲线，计算得出车门开关的疲劳寿命，图5是车门外板的寿命结果，可以看出，在门把手支架处疲劳寿命为91400次，该位置在整个车门中疲劳寿命最低；图6为强度计算中应力最大构件—加强板的疲劳寿命云图，其最低寿命为43290次；表3列出了其它部件的最低寿命次数。
图5 车门外板疲劳寿命云图 图6 加强板板疲劳寿命云图
表三 各部件最低疲劳寿命次数
根据设计要求，车门开关耐久最低寿命次数为84000次，由上表可以看出，各部件的最低寿命均能满足要求。
4 车门开关耐久试验 4.1 试验方法
设置门的循环测试装置，使其能够在在门全开的位置施加一个载荷产生（相对门铰链）的14 Nm的过开力矩。调节关门冲击装置来产生13.6J 关门能量或等效速度。
先进行84000次开关门试验，监测试验过程，如果出现失效，则判定不合格，终止试验；如未出现失效，判定为合格，并继续进行摸底试验，直至失效为止，记录失效情况，开关次数。图7为试验图片。
图7 车门开关耐久试验图片 图8 门把手支架疲劳失效 4.2 试验结果
经过84000次循环后，结果显示试验过程中无异常，各零部件状态良好、无裂纹产生，满足设计要求。继续进行摸底试验，至10.1万次时，车门把手支架出现断裂，试验机终止试验。图8为门把手支架失效图。
将仿真结果与试验结果对比，可以看出，疲劳失效位置一致，最低疲劳寿命数值上误差为9.5%，仿真结果与试验结果基本一致。
5 结论
1）采用瞬态响应法模拟了车门一次开关过程，得到了离散化后的车门结构各节点的应力时间历程。
2）在强度分析结果基础上，采用E-N 应变分析方法做了疲劳计算，并做了试验验证，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
参考文献
[1] 沈佳、王国明. 基于MSC.Fatigue 的汽车开闭件撞击疲劳分析 [2]msc nastran 2007 quick reference guide
[3] 周传月、郑红霞、罗慧强. MSC. Fatigue 疲劳分析应用与实例. 科学出版社，2005 年