文章来源：e-works数字化企业网 、Altair    作者：钱银超  张琪  刘向征  谭东升     

针对试验中某车门试验中的开裂问题，进行深入研究和分析。文章结合试验和CAE等技术手段，找出开裂问题的原因所在，然后根据OptiStruct优化分析结果结合工程可实现性，确定出最终优化方案。本次研究，运用振动耐久的主要理论以及仿真技术和试验手段，来解决实际振动耐久开裂问题。

1 引言 
       车门是汽车的重要部件，在日常使用中由于车门的反复开关，在其所受的应力尚未达到材料的许用应力的情况下，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[1-2]。 

2 问题描述及分析

某车型在做开闭耐久试验时左右后门开闭耐久均出现开裂问题。其中左侧车门开闭21600次时，右侧车门开闭36000次时，玻璃升降器导轨下安装点处内板钣金严重开裂（突然开裂），如图1所示。 

图1 左右车门下玻璃升降器安装点

　　
       经分析车门在关闭过程中受力状态相当复杂，其受力主要有一下几种： 
       1、锁扣及限位块处的阻力；2、铰链处的阻力；3、密封条处的阻力；4、室内空气的压力；关闭过程中的受力状态主要分为两种：1、冲击过程即开启角度至锁舌越过锁环瞬间的过程；2、振荡过程即锁舌越过锁环直至完全接触振荡锁死的过程[3]。传统的冲击疲劳分析未考虑车门关闭的动态特性即发生了模态惯性力和阻尼力等因素，如果在激励过程中激励载荷的载荷频率相对接近于结构的自然频率，就属于振动耐久问题[4]。共振疲劳更多的与部件共振或局部共振有关, 一些动态载荷激励常常引起局部模态与载荷的振动藕合作用, 而破坏的部位往往是局部共振中应变大且有缺陷或应力集中的部位[5]。振动疲劳的特点是无明显塑性变形，常出现的突然断裂[6]。结合实际试验中关闭过程中玻璃升降器处存在异响等因素判断其安装点过弱从而引起玻璃升降器的局部振动造成的本次开裂问题。目前振动耐久理论应用到解决实际问题还很少，本研究正是基于此进行的深入研究。 

3 振动耐久的理论基础 
       3.1 振动疲劳的基本理论 
       振动耐久理论研究兴起于20世界80年代末。很多学者专家为此做了很多研究，其中Sanliturk等利用频率响应传递函数的方法预测疲劳寿命，该方法除了考虑了结构本身弹性又考虑了结构阻尼以及惯性对于疲劳寿命的影响[7]，而Bishop则利用功率谱密度函计算出疲劳损伤计算[8]，但该方法计算量很大，很少被实际应用。1985年Dirlik在以往经验基础上然后结合Monte Carlo技术进行了全面计算机模拟[9]，精度基本和Bishop方法精度相当。 
       Dirlik 数学表达式[10]： 

　　N(S)=E(P)T P(S)

　　
       疲劳的破坏主要经历裂纹萌生、扩展和断裂失稳三个阶段。由于裂纹的产生和扩展时间很短，因此裂纹萌生的寿命通常被认为疲劳寿命。 

4 仿真分析验证及结果分析
       利用HyperMesh进行有限元建模，采用点焊CWELD单元模拟钣金件之间的点焊连接，玻璃和门的内外水切的连接采用弹簧单元进行模拟，粘胶采用GLUE单元进行模拟。有限元模型如图2所示。车门必须保证车门有限元模型与真实车门应当具有相同的质量及分布，模型中必须包含完整的车门装配件、玻璃升降器、车窗玻璃，车门部分硬件及内饰件可以以配重的方式加到车门模型上，局部敏感区域应当适当细化网格。根据试验，分别调整车门的状态：玻璃全开、半开、全闭三种状态。  
       材料弹性模量为207GPa,密度为7.85e+3kg/m3，泊松比为0.28；内板材料为DC04。
       约束：锁扣和铰链处123456自由度如图2所示，对锁扣和铰链处加强迫加速度。

图2 车门有限元模型

　　
       4.1 振动疲劳分析流程
       振动疲劳分析的主要分析主要流程如图3所示。

图3 振动耐久分析流程

　　
       4.2 频响分析应力场结果
       利用OptiStruct模块对车门进行频率响应分析。由于车门的振荡过程，车门主要受到锁扣和铰链处激励的强迫振动。当激励载荷的频率和自然频率接近就会引起结构的共振。我们一般把最低频率称为基频，往往最低的几阶频率对于系统的振动贡献最大。理论上共振振幅是无限增大的，但是由于系统结构阻尼的存在，使得这幅保持在一个有限值[11]。 

图4 频响分析内板局部处应力场结果（频率_最大应力关系图）

车门频响分析应力场云图最大频率的应力如图4所示，玻璃全开时，在32.1Hz时出现应力峰值最大。

4.3 PSD载荷谱
      通过实测得到锁扣和铰链处在开闭耐久过程中的冲击载荷如图5所示。时域载荷谱需要通过傅里叶变换得到频域的功率谱密度PSD载荷谱。

图5 锁扣和铰链处的载荷谱

　　
       4.4 S_N曲线
       最常用的S_N曲线是幂指数S=A+BlgN，其中A、B为材料常数，S为应力，N为寿命。本分析所用的内板材料为DC04材料的S_N曲线图6所示。

图6 DC04的S_N曲线

　　
       4.5 振动疲劳分析结果
       利用Dirlik振动疲劳算法，采用疲劳软件求解出结构的振动寿命具体如流程图7所示。车门内板最低寿命出现在下玻璃导轨安装点处，其最低寿命为22315次，最低处寿命基本和试验开裂位置和寿命基本一致，具体寿命云图如图8所示。 

图7 车门振动疲劳分析流程图

图8 车门振动疲劳寿命云图

　　
       4.6 结果分析及结构优化
       利用OptiStruct的优化分析工具对车门进行拓扑分析。经分析存在玻璃升级器局部振动造成了本次开裂。主要原因是玻璃升级器安装处存在局部模态振型和玻璃安装点处局部刚度不高。优化的思路是提高模态和局部安装点刚度。但是后期可变的空间比较小，所以只能从内板结构上进行局部优化。形貌优化的分析结果如图9所示，结合分析结果以及工艺成本等综合考虑最终的方案为图10。 

图9 车门内板的形貌优化分析

图10 工程可实现方案

5 试验验证及结果分析
       改进后的结构顺利通过了试验（图12），最低寿命和仿真结果基本一致（图11）。 

图11 结构优化后的分析结果

图12 搭建的试验平台

　　
       分析结果统计表： 

表1 分析结果统计表

　　
       通过上述分析得出以下结论：1、按照实测载荷做的振动耐久仿真分析结果最低寿命处位置和寿命基本和试验结果一致；2、优化方案相对于原方案模态振型基本一致，只是局部安装点结构有所提升，依据分析结果结合实际试验中关闭过程中玻璃升降器处存在异响等因素判断其安装点过弱从而引起玻璃升降器的局部振动；3、优化方案根据拓扑优化结果做的可行性方案，寿命提升比较显著，分析结果和试验分析基本一致。

6 结论
       本分析可以得出以下结论：
       1、基于车门开裂进行的深入研究，解决了车门开裂问题，顺利通过试验；
       2、分析采用的是实测载荷，相对更符合实际的情况；
       3、运用仿真分析和台架试验验证相互结合，找出问题的根源所在，针对性的去解决存在的问题快速使新产品达到设计和试验要求；
       4、目前业内振动耐久还处于研究阶段，很少应用到实际工程领域，本次研究是利用振动耐久理论解决的实际问题，阐述了振动耐久的理论及实际工程应用的基本流程对于后续的设计和开发有一定的参考和借鉴意义；
       5、本研究的不足之处是未考虑密封条的影响，存在一定的误差，该因素作为以后研究的重点。

7 参考文献（References）： 

[1] 邓磊. 车门开关耐久有限元分析及试验研究[C].MSC 年会，2014. 

[2] 沈佳. 基于 MSC.Fatigue 的汽车开闭件件撞击疲劳分析[C].MSC 年会，2012. 

[3] 樊玉言. 联合 abaqus 与 ncode 分析车门关闭耐久性能[C].ncode 年会,2015. 

[4] Peter J. Heyes，林晓斌译.基于有限元的疲劳设计分析系统 MSC/ FATIGUE[J].中国机械工程，1998,9（11）：12-16. 

[5] 姚起杭.工程结构的振动疲劳问题[J].应用力学学报，2006（1）. 

[6] 刘文光.结构共振疲劳研究综述[J].工程设计学报，2012,1（8）. 

[7] SANLITURK K Y.Fatigue life prediction using frequency response function[J].Journal of vibration and Acoustics,1992,114(7):381-386. 

[8] BISHOP NWM．Vibration fatigue analysis in finite element environment[C]. TheXVI ENCUENTRO ESPANOL DE FRACTURA．Torremolinos,Spain,1999:14-16. 

[9] 王国军.nSoft 疲劳分析理论与应用实例指导教程[M] .机械工业出版社，2007 

[10] Andrew Halfpenny，林晓斌译.基于功率谱密度信号的疲劳寿命估算[J].中国机械工程，1998,9（11）：12-16. 

[11] 黄成刚. 汽车车身频率响应分析[J].湖北汽车工业学院学报，1999(4):25-29.