王明慶 茍黎剛 張德彬 尹道志 管迪

摘要：

針對某車型整車耐久路試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂的問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法對發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)應(yīng)變能分布情況優(yōu)化鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布，試驗(yàn)車整改后在整車耐久路試中發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)未再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂是振動(dòng)疲勞問題，采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算疲勞損傷不能預(yù)測焊點(diǎn)開裂問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法才能更好地預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)疲勞損傷。從模態(tài)應(yīng)變能角度對結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞開裂問題進(jìn)行優(yōu)化能明顯提高優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：

模態(tài)瞬態(tài)法; 準(zhǔn)靜態(tài)法; 焊點(diǎn); 開裂; 振動(dòng); 疲勞

中圖分類號：? U463.833; TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Fatigue optimization on welding spot of engine hood

based on modal transient method

WANG Mingqing， GOU Ligang， ZHANG Debin， YIN Daozhi， GUAN Di

（Ningbo Geely Automobile Research and Development Co.， Ltd.， Ningbo 315336， Zhejiang， China）

Abstract：

As to the cracking problem that the welding spots of the hinge reinforcing plate of the engine hood during the endurance road test of whole vehicle， the fatigue analysis of welding spots of the engine hood is carried out by modal transient method. According to the distribution of modal strain energy of engine hood， the structure of hinge reinforcing plate and the distribution of welding spots are optimized. The test

vehicle is rectified， and the engine hood welding spots do not crack again in the vehicle durability road test. The cracking of the welding spots of the hinge reinforcing plate of the engine hood is a vibration fatigue problem， and the quasistatic method based on inertia release is used to calculate the fatigue damage， which can not predict the welding spot cracking， and the fatigue damage of engine hood welding spots can be better predicted using the fatigue calculation method of modal transient method. The optimization of structural vibration fatigue cracking based on the perspective of modal strain energy can significantly improve the optimization efficiency.

Key words：

modal transient method; quasistatic method; welding spot; cracking; vibration; fatigue

0 前 言

發(fā)動(dòng)機(jī)罩是由外板、內(nèi)板、撐桿、鎖扣及鎖扣加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板和鉸鏈總成等多個(gè)部件組成的復(fù)雜總成系統(tǒng)，其造型直接影響汽車的整體視覺效果，與整車空氣動(dòng)力學(xué)特性也有直接關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)罩的主要作用是保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)具有隔熱和隔音效果。[12]發(fā)動(dòng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要考慮外板的造型效果和基本的剛度要求，還需要滿足行人保護(hù)、NVH和耐久性等各方面的性能要求。

基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計(jì)算法簡單快捷，因此在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但這種方法無法考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)造成的疲勞損傷，對門蓋等易產(chǎn)生振動(dòng)部件的疲勞損傷計(jì)算精度不高。針對某車型在整車耐久路試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂問題，采用模態(tài)瞬態(tài)法計(jì)算疲勞損傷，成功復(fù)現(xiàn)并最終解決發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)開裂的問題。采用模態(tài)瞬態(tài)法進(jìn)行疲勞計(jì)算，能較好地預(yù)測焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞開裂問題，為其他項(xiàng)目類似問題的解決提供參考，也為后續(xù)新項(xiàng)目的開發(fā)提供新的方法和思路。

1 焊點(diǎn)開裂問題分析

1.1 開裂問題描述

在某車型整車路試耐久試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)進(jìn)行約40%時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)3臺試驗(yàn)車均出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩左、右鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂問題，

開裂焊點(diǎn)位置左右對稱，每側(cè)有3處焊點(diǎn)開裂。

單側(cè)鉸鏈加強(qiáng)板實(shí)物的開裂位置見圖1（a），發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布模型見圖1（b）。

鉸鏈加強(qiáng)板與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板局部特征平臺用焊點(diǎn)連接，共分布9個(gè)焊點(diǎn);為增加加強(qiáng)板剛度，鉸鏈加強(qiáng)板邊緣設(shè)置一圈翻邊。

1.2 開裂原因分析

檢查試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)，確認(rèn)所有試驗(yàn)車該處焊點(diǎn)無虛焊、過燒等問題，焊點(diǎn)質(zhì)量合格。

檢查問題試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)罩裝配狀態(tài)，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的緩沖塊、密封條、鎖和鉸鏈等部件裝配狀態(tài)均正常。

在設(shè)計(jì)階段，采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法仿真分析整車焊點(diǎn)疲勞損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果見圖2。焊點(diǎn)疲勞損傷值均較小，焊點(diǎn)損傷最大值為3.1×10-2，遠(yuǎn)小于焊點(diǎn)損傷目標(biāo)值1?？傮w來看，試驗(yàn)車出現(xiàn)開裂的3個(gè)焊點(diǎn)疲勞損傷值明顯高于周圍其他焊點(diǎn)，仿真焊點(diǎn)損傷分布趨勢與試驗(yàn)車焊點(diǎn)損傷分布趨勢一致。這說明雖然車輪載荷相位差會導(dǎo)致車身彎扭變形，使發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)產(chǎn)生疲勞損傷，但該損傷值比較小，不足以導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞開裂。因此，推測可能是焊點(diǎn)疲勞損傷仿真分析沒有完全涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)罩所有的受力工況，導(dǎo)致計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)損傷值偏小。

疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

在汽車行駛過程中，各部件會受到交變載荷作用產(chǎn)生疲勞損傷。基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計(jì)算方法具有簡便快捷的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)激勵(lì)載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的最低階模態(tài)固有頻率相差較大時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與激勵(lì)載荷之間是線性對應(yīng)關(guān)系[3]，因此基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計(jì)算方法對于沒有動(dòng)態(tài)響應(yīng)的車身耐久性能計(jì)算精度比較高。但是，當(dāng)激勵(lì)載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某階模態(tài)固有頻率比較接近時(shí)，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較強(qiáng)的共振，此時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與激勵(lì)載荷之間不再是線性對應(yīng)關(guān)系[3]，基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計(jì)算方法無法考慮共振成分，因此計(jì)算精度降低。在汽車的各部件中，

發(fā)動(dòng)機(jī)罩屬于易振動(dòng)部件。在汽車行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩會受到來自路面的激勵(lì)，路面載荷的激振頻率一般為1～30 Hz[46]，因此推測該焊點(diǎn)開裂可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩受到路面激勵(lì)導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)疲勞，而設(shè)計(jì)階段采用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算整車疲勞性能，未預(yù)測到該發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)開裂問題。

2 焊點(diǎn)開裂問題復(fù)現(xiàn)

模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法是基于模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析的一種疲勞分析方法。目前，國外先進(jìn)主機(jī)廠如沃爾沃、福特等均使用該方法計(jì)算整車疲勞性能，效果較好。瞬態(tài)響應(yīng)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的響應(yīng)，屬于時(shí)域分析，可以直接反映振動(dòng)問題。[7]模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析是利用模態(tài)向量對耦合的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行解耦，然后再由單個(gè)的模態(tài)響應(yīng)進(jìn)行疊加得到問題的最終結(jié)果[8]，計(jì)算過程如下。

對于無阻尼系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程為

式中：mi為第i個(gè)模態(tài)質(zhì)量;ki為第i個(gè)模態(tài)剛度;Pi（t）為第i個(gè)模態(tài)力。

通過求解一系列單自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，可得到各階模態(tài)的模態(tài)坐標(biāo)，將各階模態(tài)向量和對應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)按照式（2）進(jìn)行疊加計(jì)算，可得到瞬態(tài)響應(yīng)分析的最終結(jié)果。

根據(jù)模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析的理論求解過程，建立模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算流程，見圖3。

利用車輪六分力傳感器測試技術(shù)采集試驗(yàn)車路試的輪心道路載荷譜，并將獲得的輪心載荷譜輸入到整車多體動(dòng)力學(xué)仿真模型中。通過載荷虛擬迭代技術(shù)獲取作用在車身與底盤接附點(diǎn)上的載荷譜，并據(jù)此對整車進(jìn)行模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析，輸出模態(tài)坐標(biāo)。同時(shí)，通過整車模態(tài)分析輸出模態(tài)節(jié)點(diǎn)力，將各階模態(tài)振型對應(yīng)的模態(tài)節(jié)點(diǎn)力和根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程求解的模態(tài)坐標(biāo)時(shí)間歷程進(jìn)行疊加計(jì)算，得到焊點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程。使用雨流計(jì)數(shù)法對不同應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)Miner線性損傷累積法則（式（5）），結(jié)合焊點(diǎn)疲勞壽命曲線計(jì)算焊點(diǎn)疲勞損傷。

式中：D為總疲勞損傷;l為交變載荷的應(yīng)力水平總數(shù);ni為第i個(gè)應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為第i個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

使用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法重新計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)罩焊點(diǎn)的疲勞損傷，并與準(zhǔn)靜態(tài)法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。

2種計(jì)算方法得到的

試驗(yàn)車開裂的3個(gè)焊點(diǎn)疲勞損傷值分布規(guī)律一致，開裂焊點(diǎn)3的疲勞損傷值最大，開裂焊點(diǎn)1的疲勞損傷值次之，開裂焊點(diǎn)2的疲勞損傷值最小。模態(tài)瞬態(tài)法得到的3個(gè)焊點(diǎn)疲勞損傷值較準(zhǔn)靜態(tài)

法的計(jì)算結(jié)果有大幅增加，其中：開裂焊點(diǎn)1和開裂焊點(diǎn)3的疲勞損傷值均超過損傷目標(biāo)值，與試驗(yàn)車開裂情況一致;開裂焊點(diǎn)2疲勞損傷未超過損傷目標(biāo)值，沒有開裂風(fēng)險(xiǎn)，考慮試驗(yàn)車可能是焊點(diǎn)1和焊點(diǎn)3先開裂，進(jìn)而導(dǎo)致焊點(diǎn)2開裂。這也證明前文推測的正確性，即發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂是由于路面激勵(lì)導(dǎo)致的振動(dòng)疲勞開裂。

3 優(yōu)化方案

由于整車狀態(tài)下模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算用時(shí)較長，而振動(dòng)疲勞問題一般與部件某階模態(tài)相關(guān)，因此先從模態(tài)應(yīng)變能的角度初步優(yōu)化鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布，再用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法在整車模型中對焊點(diǎn)疲勞損傷進(jìn)行驗(yàn)證，以提高優(yōu)化效率。

基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板鉸鏈安裝區(qū)域的1階模態(tài)應(yīng)變能見圖4。由此可知，該區(qū)域應(yīng)變能較大的位置主要集中在試驗(yàn)車出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂的位置，并且應(yīng)變能的分布規(guī)律與焊點(diǎn)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果一致。針對本例的焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞開裂問題，發(fā)動(dòng)機(jī)罩1階模態(tài)應(yīng)變能的分布可以間接反映焊點(diǎn)疲勞損傷的分布規(guī)律，證明從模態(tài)應(yīng)變能的角度優(yōu)化鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布具有可行性。

原發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布見圖1（b）。原鉸鏈加強(qiáng)板整車坐標(biāo)系下的x向長度較短、y向平面覆蓋范圍較大，周邊設(shè)有翻邊增加加強(qiáng)板剛度，并且后鉸鏈安裝孔距離加強(qiáng)板邊緣較近，導(dǎo)致加強(qiáng)板x向邊緣局部剛度不連續(xù)，而發(fā)動(dòng)機(jī)罩1階模態(tài)振型為后端整體z向彎曲振型，因此發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板在鉸鏈加強(qiáng)板x向邊緣焊點(diǎn)周邊的模態(tài)應(yīng)變能較大。針對以上分析，對發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)分布進(jìn)行優(yōu)化，具體方案見圖5（a）：一方面，沿x向加長加強(qiáng)板并增加焊點(diǎn)連接，使x向局部剛度平緩過渡，同時(shí)前鉸鏈螺栓安裝點(diǎn)沿x向前移10 mm，增加2個(gè)螺栓安裝孔的跨度;另一方面，減小加強(qiáng)板平面區(qū)域y向?qū)挾?，同時(shí)增大其y向與發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板折邊的搭接面，并增加焊點(diǎn)連接，提升內(nèi)板折邊區(qū)域局部剛度。計(jì)算得到優(yōu)化方案發(fā)動(dòng)機(jī)罩的1階模態(tài)頻率為28.7 Hz，較原模型提升2.0 Hz。優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板鉸鏈安裝區(qū)域模態(tài)應(yīng)變能分布見圖5（b）。由此可知，發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板與鉸鏈加強(qiáng)板連接的焊點(diǎn)附近應(yīng)變能集中現(xiàn)象消失，最大應(yīng)變能較優(yōu)化前明顯降低，最大應(yīng)變能位置為鉸鏈螺栓安裝孔周邊，這主要是由模擬螺栓連接的剛性單元連接導(dǎo)致的，因此推測此優(yōu)化方案可有效降低焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞損傷。

用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法驗(yàn)算發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化方案焊點(diǎn)的疲勞損傷，結(jié)果見圖6。焊點(diǎn)最大疲勞損傷值為4.4×10-2，遠(yuǎn)小于焊點(diǎn)疲勞損傷目標(biāo)值1，優(yōu)化方案的焊點(diǎn)疲勞壽命約為優(yōu)化前的250倍，因此可認(rèn)為此優(yōu)化方案的疲勞損傷安全系數(shù)較高，滿足目標(biāo)要求。

計(jì)算結(jié)果

采用模態(tài)瞬態(tài)法疲勞計(jì)算方法計(jì)算整車狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)罩的焊點(diǎn)疲勞損傷，使用高性能服務(wù)器完成一輪計(jì)算需要5～6 h，而以相同的計(jì)算資源計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)只需要10 min左右，根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能的分布情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代優(yōu)化的方法可顯著提高優(yōu)化的工作效率。目前，對鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)排布的優(yōu)化主要是采用以經(jīng)驗(yàn)為主、模態(tài)應(yīng)變能為輔的方法，最終的優(yōu)化方案并不一定是最優(yōu)方案，也不是唯一方案，如何找到性價(jià)比最高的最優(yōu)方案是下一步工作的重點(diǎn)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)罩其他相關(guān)性能驗(yàn)算

對變更發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板可能影響的發(fā)動(dòng)機(jī)罩其他性能進(jìn)行驗(yàn)證，重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)罩模態(tài)頻率、角點(diǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度3項(xiàng)性能，結(jié)果見表2。優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩1階模態(tài)頻率、角點(diǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均滿足目標(biāo)值，并較優(yōu)化前有所提升，其中1階模態(tài)頻率和角點(diǎn)剛度提升明顯。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化方案的各項(xiàng)相關(guān)性能驗(yàn)證達(dá)標(biāo)后，使用優(yōu)化方案對試驗(yàn)車進(jìn)行整改，新車順利完成新一輪的整車道路耐久試驗(yàn)，未出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂問題，證明優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

基于模態(tài)瞬態(tài)法的疲勞計(jì)算方法能更好地預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)罩等易產(chǎn)生振動(dòng)部件的疲勞損傷，而對于沒有動(dòng)態(tài)響應(yīng)的車身耐久性能計(jì)算，使用基于慣性釋放的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞計(jì)算方法性價(jià)比更高。

在設(shè)計(jì)階段采用2種疲勞計(jì)算方法相結(jié)合的方式，分別計(jì)算車身和門蓋等易振動(dòng)部件的疲勞損傷，可以更有效地規(guī)避疲勞開裂問題。

對于振動(dòng)疲勞開裂問題，先根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能的分布情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后通過基于模態(tài)瞬態(tài)法的疲勞計(jì)算方法驗(yàn)算優(yōu)化方案，可以顯著提高優(yōu)化工作效率。

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（編輯 武曉英）