劉文華，梅一丹，夏湯忠

某尾門開閉耐久試驗中車身開裂問題的解決

劉文華1，梅一丹2，夏湯忠1

（1.神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056；2.寧波汽車零部件檢測有限公司，浙江 寧波 315104）

針對某兩廂車在尾門開閉耐久試驗過程中出現(xiàn)的車身零件局部焊點(diǎn)開裂現(xiàn)象，采用有限元法對車身局部進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗證了試驗中出現(xiàn)的開裂問題，并結(jié)合計算結(jié)果給出優(yōu)化改進(jìn)措施，使得焊點(diǎn)開裂問題得到解決。

開閉耐久；有限元分析；開裂；強(qiáng)度

1 引言

轎車在實(shí)際使用過程中,其尾門的開閉頻率很高。一般轎車尾門系統(tǒng)包括尾門鈑金、尾門鉸鏈、尾門鎖、尾門開啟手柄、尾門開啟拉索、密封條、氣彈簧、尾門內(nèi)飾板等。通常尾門的開閉耐久性能試驗成為轎車開發(fā)過程中一個必要的環(huán)節(jié)。通過該項試驗,可以檢測尾門系統(tǒng)及相關(guān)車身部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度等方面是否存在問題, 為優(yōu)化設(shè)計提供有力依據(jù)。

尾門應(yīng)具有足夠大的強(qiáng)度、剛度和良好的振動特性[1]，而其零部件的強(qiáng)度大小將直接影響汽車的有效使用壽命，零件的局部應(yīng)力集中將導(dǎo)致零件的局部開裂甚至斷裂，使汽車零部件或總成的功能失效[2]。因此對于代表汽車外觀和涉及用戶安全的汽車車身來說，具有足夠的車身強(qiáng)度是必要的。

2 尾門開閉耐久試驗方法

尾門的開閉耐久試驗是對車身功能部件開閉耐久性進(jìn)行確認(rèn)，一般試驗需在整車上進(jìn)行。通常尾門開閉耐久試驗，先將尾門解鎖，舉升尾門至全開位置，以規(guī)定的速度至全關(guān)閉位置，試驗時開閉門一次即為一次循環(huán)。要求試驗過程中，施加的力值必須在設(shè)計允許范圍內(nèi)。尾門施加力的位置分中間及角部位置。尾門高低溫循環(huán)耐久測試按表1進(jìn)行試驗。

開閉耐久試驗完成后，所有車門功能（開閉，手動操作，密封）正常且無噪音，相關(guān)零件沒有任何開裂，脫焊，脫落，沒有任何可視范圍變形（包括鉸鏈不應(yīng)出現(xiàn)間隙）；車門與周邊部件不出現(xiàn)磕碰痕跡，試驗后各項操作力符合設(shè)計值要求，對尾門相應(yīng)測試點(diǎn)進(jìn)行面差及間隙測量，不能超過標(biāo)準(zhǔn)限值。

表1 尾門高低溫循環(huán)耐久測試

3 開裂問題分析

某兩廂車尾門在關(guān)閉耐久試驗進(jìn)行到第一段循環(huán)26000次時，左右兩側(cè)氣動撐桿安裝支架附近相同位置的車身焊點(diǎn)均出現(xiàn)開裂，如圖1所示。經(jīng)過分析，該尾門在開閉過程中，尾門以安裝于尾門上部的鉸鏈為轉(zhuǎn)動軸而轉(zhuǎn)動，兩側(cè)各有一根氣動支撐桿以實(shí)現(xiàn)開啟。運(yùn)動過程中氣動撐桿作用力通過撐桿安裝支架將撐桿作用力傳遞到車身，從而導(dǎo)致是車身局部強(qiáng)度不足。因此，在改進(jìn)設(shè)計之前，有必要通過仿真計算對車身的強(qiáng)度進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施。

圖1 試驗車輛車身焊點(diǎn)開裂位置

4 車身局部強(qiáng)度計算分析

4.1 有限元建模

在進(jìn)行建模之前，需要對物理現(xiàn)象作一定的假設(shè)和簡化，這種假設(shè)和簡化必須在滿足研究對象基本特征和受力狀態(tài)不被改變的前提下進(jìn)行。

圖2 氣動撐桿位置狀態(tài)示意圖

尾門在開閉過程中是以繞安裝于車身上的鉸鏈為轉(zhuǎn)軸來轉(zhuǎn)動， 兩側(cè)各有一根氣動撐桿支撐以實(shí)現(xiàn)開啟。車身側(cè)氣動撐桿安裝支架在尾門的開閉過程中在每一時刻受到的撐桿作用力大小、方向都不同，該作用力通過安裝支架傳遞到與其相連接的車身零件以及焊點(diǎn)，在反復(fù)受到周期載荷的作用下，焊點(diǎn)周圍發(fā)生開裂。尾門開啟到不同角度時，氣動撐桿的位置狀態(tài)如圖2所示。因此，只需對車身相關(guān)部位進(jìn)行有限元網(wǎng)格建模，尾門不需要建立網(wǎng)格模型。

4.2 強(qiáng)度分析

4.2.1氣動撐桿性能參數(shù)

以每10?的角度間隔單位獲取氣動撐桿在尾門不同開啟角度下的彈簧作用力，如圖3所示，由于氣動撐桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其作用力隨溫度的變化會相應(yīng)發(fā)生變化，相同開啟角度時，溫度越高其作用力越大。

圖3 某尾門氣動撐桿性能參數(shù)

4.2.2邊界條件

車身斷面處節(jié)點(diǎn)約束其平動自由度，車身縱梁上后氣動撐桿安裝點(diǎn)全約束。在兩側(cè)氣動撐桿的固定點(diǎn)球銷中心沿著氣動撐桿軸向方向施加氣動撐桿作用力，從0?到87?，每隔10?施加一次氣動撐桿作用力，每個力的大小和方向都不相同，共10個工況，如圖4所示。

圖4 約束和載荷

4.2.3計算結(jié)果

圖5 車身開裂位置處應(yīng)力

通過計算發(fā)現(xiàn)，車身零件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在焊點(diǎn)周圍，與試驗時焊點(diǎn)開裂位置一致，這說明在尾門的開閉使用過程中，車身焊點(diǎn)受到周期載荷的作用后，該焊點(diǎn)將會發(fā)生開裂。如圖5所示，最大應(yīng)力值已經(jīng)超過了材料的彈性極限。圖6是不同開啟角度下，開裂焊點(diǎn)區(qū)域車身零件的應(yīng)力計算結(jié)果，可以看出在尾門處于完全關(guān)閉位置即開啟0?時車身局部應(yīng)力值最大。

圖6 尾門開啟角度對應(yīng)的應(yīng)力計算結(jié)果

5 改進(jìn)方案

通過對車身強(qiáng)度的有限元分析計算，結(jié)果表明該焊點(diǎn)區(qū)域局部強(qiáng)度需要加強(qiáng)。可以修改開裂的車身零件結(jié)構(gòu)；更改支撐零件的結(jié)構(gòu)以提高強(qiáng)度；增加開裂零件的厚度；更換車身零件材料等。

該尾門開閉耐久試驗是在預(yù)批量階段進(jìn)行的，其零件模具都已經(jīng)開發(fā)完成，因此修改零件結(jié)構(gòu)的方案不予考慮。如果更換為屈服強(qiáng)度更高的鋼板材料，成本增加較大，相關(guān)性能的驗證周期比較長，也是不可取的。因此，考慮采用在應(yīng)力較大的區(qū)域增加焊點(diǎn)的方法來降低應(yīng)力。

圖7 現(xiàn)有焊點(diǎn)分布

從圖7可以清楚地看到該開裂的焊點(diǎn)區(qū)域的零件結(jié)構(gòu)分布，由于受加強(qiáng)零件尺寸的限制，可布置焊點(diǎn)的位置有限，在不增大該加強(qiáng)件的前提下只能選擇在原有的兩個焊點(diǎn)之間增加1個焊點(diǎn)。為了使得增加的焊點(diǎn)最大程度的承擔(dān)氣動撐桿傳遞過來的作用力，在焊裝工藝條件允許的情況下，經(jīng)過多次迭代，得到焊點(diǎn)布置的最優(yōu)位置，如圖8所示。從應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，增加焊點(diǎn)后車身零件的應(yīng)力大幅降低，如圖9所示，增加的焊點(diǎn)很好的分散了原有焊點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力，應(yīng)力約降低44Mpa，初步計算尾門開閉耐久循環(huán)次數(shù)可增加到60000次左右，可滿足耐久標(biāo)準(zhǔn)要求。

該方案成本低，僅對現(xiàn)有工裝夾具等的改動較小，在產(chǎn)品開發(fā)后期更具有可行性。后續(xù)進(jìn)行了第二輪的尾門耐久試驗，42000次循環(huán)試驗完成后，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，說明增加該焊點(diǎn)后增加了零部件的局部強(qiáng)度，解決了開裂問題。

圖8 改進(jìn)后的焊點(diǎn)分布

圖9 改進(jìn)后的應(yīng)力圖

6 結(jié)論

本文中采用有限元計算方法，準(zhǔn)確地反映了該車型尾門耐久試驗中車身開裂現(xiàn)象的實(shí)際問題點(diǎn)，并且通過計算尋找到解決問題的最佳方案，說明通過有限元分析計算不僅可以幫助設(shè)計師進(jìn)行并行設(shè)計，而且可以及時、準(zhǔn)確地找出問題產(chǎn)生原因，從而有效地針對問題采取措施。

[1] 解躍青.車門有限元分析中工況的確定及數(shù)值分析結(jié)果評價[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2002(5).

[2] 原喜斌等.某輕型客車背門局部開裂的有限元分析.北京汽車, 2005(4).

Solution of Body Cracking in Durability Test of Tail-gate Opening and Closing

Liu Wenhua1, Mei Yidan2, Xia Tangzhong1

( 1.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co., Ltd., Hubei Wuhan 430056;2.Ningbo Automotive component testing Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315104 )

Aiming at the cracking problem of local weld joint of body parts of a Hatchback car during the durability test of tail door opening and closing, finite element method is used to analyze the strength of the body parts, which verifies the cracking problem in the test, and combined with the calculation results, optimization and improvement measures are given to solve the cracking problem of weld joint.

Opening and closing durability; finite element analysis; Cracking; Strength

U467.3

A

1671-7988(2019)14-125-03

U467.3

A

1671-7988(2019)14-125-03

劉文華，就職于神龍汽車有限公司技術(shù)中心。梅一丹（1975-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車零部件檢測與分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.041