基于ABAQUS的车门焊点失效分析

基于基于 ABAQUSABAQUS 的车门焊点失效分析的车门焊点失效分析 朱楚才 史建鹏 别辉 徐贤发 东风汽车公司技术中心整车设计部 CAE 室 武汉市 430056 摘要 在某研制乘用车进行车门限位器 手柄的耐久性试验考核中 不到 5 万次时 4 个车门不同程度地出现玻璃升降器支架 铰链加强板等部位的焊点开裂 脱落失效现象 通过采用 ABAQUS 显式分析方法 对车门试验中的过开 过关进行模拟分析 通过 分析提出了改进方案 有效地解决了问题 关键词 ABAQUS 显式分析 车门 焊点 失效 前言前言 车门限位器 手柄耐久性考核试验中 车门瞬时运动速度较高 车门锁点附近某测试点线速度为 1 5m s 开 闭过程存在较大的冲击载荷 该问题已不宜用静态分析方法进行模拟 此外 车门过开 过关分析中 玻璃及玻 璃升降器是潜在破坏因素 其中玻璃涉及到复杂的接触关系 ABAQUS EXPLICIT 能处理高速冲击动载荷 复杂 接触等问题 本文采用 ABAQUS EXPLICIT 显式分析对左前门进行了分析 有效的解决了该失效问题 1 ABAQUS1 ABAQUS 显式分析显式分析 1 1 1 1 显式显式方法的方法的时间积分时间积分 ABAQUS EXPLICIT 应用中心差分方法对运动方程进行显式的时间积分 由一个增量步的动力学条件计算下 一个增量步的动力学条件 在增量步开始时 程序求解动力学平衡方程 即节点质量矩阵M乘以节点加速度 u 等 于节点的合力 所施加的外力P与单元内力I之间的差值 0 PIu M 在当前增量步开始时 t 时刻 计算加速度为 1 tt IPMu 对加速度在时间上进行积分采用中心差分法 在计算速度的变化时假定加速度为常数 应用这个速度的变化 值加上前一个增量步中点的速度来确定当前增量步中点的速度 2 2 2 t ttt tttt u tt uu 速度对时间的积分并加上在增量步开始时的位移以确定增量步结束时的位移 2 ttttttt utuu 这样 在增量步开始时提供了满足动力学平衡条件的加速度 得到了加速度后 在时间上前推速度和位移 所谓 显式 是指增量步结束时的状态仅依赖于该增量步开始时的位移 速度和加速度 这种方法精确的积分常 值的加速度 1 2 1 2 显式方法的稳定显式方法的稳定极限极限 稳定极限是依据系统的最高频率 max 来定义的 无阻尼时稳定极限由下式定义 max 2 stable t 系统的实际最高频率是基于复杂的一组相互作用的因素 要计算出确切的值是不大可行的 代替的办法是应 用一个有效 保守的简单估算 不考虑模型的整体 我们估算模型中每个单独构件的最高频率 它常常与扩展的 模态有关 可以观察到由一个个单元为基础确定的最高频率常常比有限元组合模型的最高频率要高 基于一个个单元的估算 稳定极限可以用单元长度 e L和材料波速 d C重新定义 d e stable CLt 波速是材料的一个特性 ECd 其中 E 是杨氏模量 是材料密度 1 3 1 3 显式方法的接触算法显式方法的接触算法 ABAQUS 显式分析中的接触问题 可以选择通用接触算法或接触对算法 定义典型的通用接触相互作用时 ABAQUS EXPLICIT 自动地定义一个基于单元的表面 element based surface 它包括了在模型中的所有物体 然 后定义这个面的自接触来实现通用接触相互作用 为了细化接触区域 可以选择包含或者不包含指定的表面对 通过指定每一个单独的能够发生相互作用的表面对 定义接触相互作用 2 2 车门焊点开裂失效分析车门焊点开裂失效分析 2 1 2 1 试验失效现象描述试验失效现象描述 该玻璃升降器为单滑轨形式 布置在车门中部 玻璃的底端的中部受到托架的托举作用 玻璃升降器滑轨上 下各有一支架 同过支架焊接在门内板上 左前门主要失效部位如图 1 所示 图 1 左前门焊点失效描述 在试验中 左前门出现了玻璃升降器上 下支架焊点脱落 铰链加强板焊点开裂等现象 失效发生的主要部 位为车门内板 2 2 2 2 分析结果分析结果 采用 ABAQUS EXPLICIT 显式算法 对左前门进行了相关分析 按门锁附近测量线速度 1 5m s 推算 车门角 速度约为 1 5rad s 约束车门铰链及限位器轴心处并释放其转动自由度 对车门施加 1 5rad s 转动角速度 1g 重 力加速度 计算载荷作用时间为 40ms 并设置了适当的质量缩放 提高计算速度 图 2 设置通用接触时应力分布云图 图 3 不设置接触时应力分布云图 由于缺乏准确的玻璃密封条橡胶材料属性 本文对该问题采取了对比分析的方法 分析密封条刚度可能造成 的影响 分析发现 门过开和过关分析结果相近 此外 玻璃密封条刚度对计算结果敏感度较高 当设置通用接触时 计算结果云图与试验结果对比不明显 在焊点失效部位没有明显应力集中出现 不足以造成焊点疲劳破坏 当不 设置任何接触关系 模拟玻璃密封条刚度较低 即密封条对玻璃摆动不存在支撑作用 时 计算结果云图与试验对 比更接近 焊点失效部位应力集中明显 图 2 图 3 是车门过开分析的结果云图 当设置通用接触作用时 玻璃摆动受到两侧导轨密封条的夹持作用 玻璃摆动惯性造成的力矩被导轨密封条的支撑作用分担 摆动对升降器支架造成的载荷较小 此时 门内板对应 计算应力结果为 滑轨上支架右焊点处 40MPa 左焊点处 26MPa 滑轨下支架下焊点处 58MPa 上焊点处 35MPa 铰链加强板焊点处 259MPa 当无接触设置时 玻璃摆动惯性造成的力矩对升降器支架造成较大载荷 此时 门 内板对应计算应力结果为 滑轨上支架右焊点处 217MPa 左焊点处 174MPa 滑轨下支架下焊点处 83MPa 上焊 点处 45MPa 铰链加强板焊点处 258MPa 3 3 相关试验验证情况 相关试验验证情况 假设玻璃密封条刚度较低时 玻璃摆动造成升降器支架承受更大载荷 焊点失效部位有显著应力集中 分析 结果更接近试验现象 说明造成焊点失效的因素之一是密封条 Y 向刚度偏弱 在某项改进试验中 测试了车门玻璃密封条 Y 向刚度 表明刚度偏弱 如下表 1 所示 表 1 玻璃密封条对比刚度测试结果 左前 右前 备注 某上市车 A 玻璃厚度 mm 3 8 3 8 该等效刚 度为某位 移下 对 应 压 力 值 玻璃跨度 mm 800 800 Y 向刚度 N 1mm 64 68 2mm 119 156 某上市车 B 玻璃厚度 mm 3 52 3 52 玻璃跨度 mm 760 760 Y 向刚度 N 120 0 8mm 147 0 8mm 某上市车 C 玻璃厚度 mm 3 3 3 3 玻璃跨度 mm 860 860 Y 向刚度 N 158 1mm 150 0 8mm 样品 04 玻璃厚度 mm 3 1 3 1 玻璃跨度 mm 790 790 Y 向刚度 N 1mm 32 25 2mm 70 50 3mm 122 120 样品 05 玻璃厚度 mm 3 1 3 1 玻璃跨度 mm 790 790 Y 向刚度 N 1mm 20 25 2mm 38 42 3mm 67 69 4mm 123 120 根据分析结果 对相关结构及焊点布局作了相应改进 1 改进玻璃升降器上支架结构 增加与车门上部的搭接 提高上支架的刚度 并增加上支架与车门的焊点数 量 2 改进玻璃升降器下支架结构 增加玻璃升降器下支架与车门的焊点数量 3 改进铰链加强板结构 对铰链加强板结构的失效焊点部位作了局部加宽改进 增加了焊点数量 4 改进玻璃密封条截面刚度 通过对比分析 提高了玻璃密封条的刚度 改进结构后的计算结果 相关部位应力均低于材料屈服极限 改进结构后的车门 5 组样品一次性通过了 10 万次耐久性考核试验 4 4 结论结论 本文通过 ABAQUS EXPLICIT 进行数值分析 模拟了车门过开 过关时的冲击失效问题 并对车门结构进行 了针对性改进 取得了较