基于Abaqus分析车门关门耐久性能

1 基于基于 Abaqus 分析分析车车门关门耐久性能门关门耐久性能 樊玉言 王俊 盛守增 长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心 河北保定 071000 摘 要 建立某轿车前门的有限元模型 利用 Abaqus 软件模拟一次前门的关门过程 将应力历程结 果导入 nCode 软件 计算前门的关门疲劳寿命 关键词 开闭件 耐久性能 关门能量 nCode The Analysis of Door s Durability Base on Abaqus and nCode Fan Yuyan Wang Jun Sheng Shouzeng R Durability Energy of Door Close nCode 0 引言 车门作为车身系统的重要组成部分 其性能 的好坏直接影响着整车使用性能的高低 车门与 其他车身结构共同组成了一个密闭空间 起到隔 绝噪声 保护车内乘员的功能 而作为车身结构 中使用频率较高的开闭件而言 车门出现问题主 要是以经常开闭而造成疲劳损伤 对车门进行开 闭耐久性能试验是非常必要的 然而车门开闭耐 久性能试验非常耗时且试验成本高昂 采用有限 元进行模拟开闭过程并进行疲劳分析是可行的 方法之一 1 影响车门关闭的因素分析 车门在关闭过程中的受力情况相当复杂 从 力学角度讲 驾驶室内压缩空气的外推力 密封 条被压缩后产生的阻力 车门铰链的机械阻力 车门转动轴线设计的前倾和内倾产生的重力 车 门锁及限位器产生的阻力等在车门关闭过程中 都会对车门产生作用 车门关闭过程中所消耗的 能量主要包括气压阻效应 密封条压缩变形 限 位器 门锁 重力和铰链 6 大因素产生的关闭阻 力所消耗的能量 1 1 气阻效应的影响 车内气阻效应损失的能量主要是在关闭车 门的过程中 空气被挤压至车厢内部 造成车厢 内部气压升高 气压的升高使得关门力急剧增加 从而影响车门关闭 这就是气阻效应 根据能量 守恒定律 由于气阻效应的存在 在车门关闭过 程中需要损耗能量 这也是迫使关门力增大的因 素 1 2 密封条压缩变形的影响 在设计车门与车门框的结构时两者之间存 在一定间隙 此间隙主要通过安装密封条来实现 封堵 达到车厢内部与外界的隔离 防止风 水 灰 热量等侵入车厢内部 同时 密封条在车门 关闭时可起到缓冲作用 防止饭金件之间直接接 触产生的异响 车门密封条是典型的海绵橡胶与 密实橡胶 2 种材料通过挤压而成的球状物 为了 加强定型和固定作用 一般在密实橡胶内部增加 金属骨架 由于密封条的存在 车门必须克服胶 条的阻碍作用才能关闭 所以密封条对车门关闭 力有负面影响 属于迫使车门关闭力增大的因素 1 3 限位器的影响 车门开度限位器是控制车门开度的机构 通 常限位器有 2 3 个挡位使车门可以停留在不同 的开度 当车门固定在某一挡位时 需要一定的 作用力才能使其跳出这一挡位 一旦跳出此挡位 车门就会在限位器弹簧力储备的能量的作用下 继续向前运动 限位器对关门力的影响主要是由 弹簧的特性所决定 其通过作用于车门上的转矩 2 对车门的运动进行影响 限位器在车门关闭瞬间 起到了推动车门关闭的作用 有助于车门的关闭 1 4 门锁的影响 当锁体运动到与锁环接触时 锁环对车门关 闭产生了阻力效应 在锁体与锁环接触瞬间 阻 力明显变大 但是当锁舌越过锁环瞬间又迅速减 小 直至锁舌后部与锁环完全接触时 此力再次 迅速变大 在车门关闭过程中 锁体对车门关闭 力起着阻碍作用 1 5 铰链及车门自身重力的影响 铰链轴线的方向是向车厢内倾斜的 车门在 关闭过程中 车门重力可以提供加快车门关闭的 力 根据能量守恒定律 车门重力降低了车门关 闭力 车门铰链则因为自身的摩擦力对车门关闭 产生阻力 对车门关闭起着阻碍作用 2 2 车门关门强度分析 2 1 工况 在车门关门的耐久性能试验中 车窗状态按 照全关 半关和全开 3 种状态进行 而在车门关 门耐久性能分析中车窗则只按照玻璃全关状态 进行分析 这是因为这种状态由于车门重心较另 两种状态要高 为最恶劣状态 且在日常使用中 为最为常见状态 整个模型具有与开闭试验中相 同的质量以满足关闭时相同的初始动能 2 2 边界条件 分别约束车门铰链安装孔 锁钩安装孔中心 节点的 6 个自由度以及密封条与门框结合面上 节点的 3 个自由度 2 3 载荷施加 车门初始状态为临界碰撞状态 根据车门开 关耐久性能试验中较为恶劣的工况 对车门施加 一定的初始动能 由于在模型前处理过程中无法 直接施加动能 在此运用能量守恒公式 计算得 到前门在关门瞬间的速度 然后再换算成角速度 最终对车门转动部分施加 1 4rad s 初始角速度 2 4 车门关门过程模拟 使用 Abaqus 显式非线性动力学模块进行求 解 由于无法确定准确的车门完全碰撞的时间过 程 所以首次分析将模拟时间设置为 0 02s 进行 分析计算 在分析计算完毕后应检查整个分析流 程的能量曲线观察能量是否守恒 以及是否存在 过大的沙漏能现象 若能量不守恒 或者沙漏能 过大 说明建立的模型不准确 需要调整模型重 新进行分析计算 观察车门的整个碰撞过程以确定车门完全 关闭所需的时间 取车门的动能为作为判断的标 准 即当车门的动能达到最小时认为车门完全关 闭 从如图 1 所示的车门关门碰撞过程的动能变 化曲线可以看出 在 0 01s 左右时车门的动能最 小 此时车门完成一次关闭 图 1 车门动能变化曲线 3 车门关门疲劳分析 3 1 疲劳累积损伤理论 有限寿命设计法允许构件的应力集中处存 在大于疲劳极限的应力 然而当构件承受大于疲 劳极限的应力时 会使材料产生一定量的损伤 这种损伤能够累积 当累积到某一临界值时 构 件就会发生疲劳破坏 这就是疲劳累积损伤理论 本文选用 miner 线性疲劳累积损伤理论 对各级 应力循环造成的损伤进行累加 利用破坏准则得 到各单元的疲劳寿命值 根据 miner 线性累积损 伤理论有 Bj nij Nij 1 kj i 1 1 式中 kj为单元 j 的应力水平级数 nij为单元 j 的第 i 级应力循环 Sij在应力谱一个循环中发生 的次数 由雨流计数法得到 nij为单元 j 在第 i 级载荷 Sij单独作用下的破坏循环数 由 S N 曲 线得到 Bj为单元 j 在应力载荷谱作用下达到疲 劳破坏所需的载荷谱块数 3 2 车门关门疲劳分析流程搭建 将利用 Abaqus 软件分析计算得到的应力历 3 程结果文件导入 nCode 软件 为避免在以后的 反复计算中每次都为车门的零部件手动赋材料 造成时间浪费和赋错材料 先为车门建立一个 BOM 表 该表中包含了车门中每个零部件的编 号与每个零部件对应的材料 然后将该 BOM 表 导入到 nCode 软件以便软件可以自动的为车门 的每个零部件自动的分配材料 采用 EN 求解器 并在求解器中将存活率设置为 90 平均应力 修正方式采用 Morrow 修正方式 最后在 nCode 软件中添加结果显示模块与结果存储模块 最终 建立起如图 2 所示的车门关门疲劳分析流程 图 2 车门关门疲劳分析流程 3 3 车门关门疲劳分析结果 运行已经搭建好的车门关门疲劳分析流程 在显示模块中将默认的损伤显示模式设置为寿 命显示模式 然后分别查看车门中每个零部件的 疲劳寿命 除了车门内板的疲劳寿命不满足要求 车门其他零部件的疲劳寿命均满足车门耐久性 能分析要求 车门内板的疲劳寿命分布云图如图 3 所示 图 3 车门内板的疲劳寿命分布云图 从图 3 所示的车门内板疲劳寿命分布云图 中可以看出车门内板的最低寿命只有 35595 次 循环 位于远离铰链侧玻璃左下方的龙骨处 见 图 3 中红色椭圆中所示的区域 该区域与车门 关门耐久试验中发生破坏的区域 见图 4 一致 图 4 车门关门耐久试验中发生破坏的区域 4 结论 利用 Abaqus 软件模拟车门关门时的碰撞过 程 将得出的应力历程结果导入 nCode 软件进 行关门耐久性能分析 分析得出的寿命较小的区 域能够与车门关门耐久性能试验中车门破坏的 区域很好的对应 说明本文所使用的方法可以很 好的预测出车门关门疲劳寿命较低的区域 如将 该方法用在设计阶段 可以较早的预测出危险区 域以加以改进 避免出现车门破坏 参考文献 1 某轿车悬架控制臂有限元分析及结构优化 吉林大学 乐天聪 硕士 2 基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法研究 华中科技大学 李