基于MSC_Fatigue的汽车开闭件撞击疲劳分析.docx

基于MSC.Fatigue的汽车开闭件撞击疲劳分析作者：上海汽车集团沈佳王国明摘要：本文介绍了汽车开闭件开关撞击疲劳分析的分析流程，并以某车型后门为例，阐述了 如何利用MSC.Fatigue进行车身开闭件撞击疲劳分析，预测其使用寿命，为前期设计提供 依据关键词：汽车开闭件撞击疲劳数值仿真1. 概述汽车开闭件，如车门、发动机罩盖、行李箱盖或尾门，在日常使用中由于反复的开关，在其 所受的应力尚未达到材料的许用应力的情况下，局部位置可能产生疲劳裂纹，并扩展最后导 致断裂，影响正常使用，有可能产生漏水等问题甚至产生某些安全隐患因此汽车开闭件的 撞击疲劳寿命评估，一直是汽车结构设计中关心的问题随着计算机硬件技术和有限元数值 计算理论及其应用的迅速发展，基于大量试验数据的疲劳强度设计和寿命计算的有限元数值 计算方法得到了充分的开发，已经发展形成了专用的疲劳分析软件，如MSC.Fatigueo与 基于试验的传统方法相比，疲劳寿命的虚拟仿真分析能够预测关键零部件的疲劳寿命，帮助 设计工程师在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，通过修改设计预先避免不合理的寿 命分布本文以某车型车门撞击疲劳分析为例，阐述了如何利用MSC.Fatigue软件E-N法和Miner 累积损伤理论对汽车开闭件的撞击过程进行虚拟仿真，预测过程中的应力分布，并对其疲劳 寿命进行评估，以期为车辆的前期开发设计提供理论依据。

对汽车开闭件进行撞击疲劳分析, 预测其疲劳寿命2. E-N法及线性累积损伤理论[1]2.1局部应变寿命法（E—N方法）局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命它应用了材料 的“记忆特性”，计入了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响,使寿命估算结果更接近实际 情况它适用于高应变低周疲劳问题Morrow指出总应变是弹性应变和塑性应变的和，它和寿命有很大的关系因此总应变-寿命曲线在数学表达上可用Coffin-Manson-Basquin估算式来表达吕=+弓=学（2N舁+勺（2Nf >£2.2线性累积损伤理论当前，工程中广泛应用的疲劳分析理论为Miner累积损伤理论Miner从能量的角度出发, 做了如下假设:试样所吸收的能量达到极限值时产生疲劳破坏，且吸收的能量与其循环数间 存在着正比关系，即N这样，若试样的加载历史由cM, o2, ol这样的I个不同的应力水平构成，各应力水 平下的疲劳寿命依次为N1, N2, NI,各应力水平下的循环次数依次为n1, n2, ”，nl, 则当损伤/D = "JNi =1i=l时，试样吸收的能量达到极限值W,试样发生疲劳破坏上式即为Miner累积损伤理论的 数学表达式。

3汽车开闭件的撞击疲劳分析流程对车身开闭件的撞击疲劳分析一般分两步进行，首先对模型进行强度分析，在开闭件上施加 几个特定的初始速度，得到相应的应力结果，从中找出结构的高应力危险部件；然后再针对 这些高应力危险部件进行疲劳分析，将其材料E-N曲线，各初始速度下一次撞击的应力时 间历程以及循环次数输入到MSC.FatigueM,计算模型的累积损伤及分布，预测其疲劳寿 命图1为开闭件撞击疲劳分析的一般流程强度分析阶段“ | < CAD模型厂〉 _更改结稚边界条件” 一► 有限元模型“结束分析"图1汽车开闭件疲劳分析流程4.车门碰撞疲劳分析本文选取某车型后车门为例，利用MSC.Fatigue进行撞击疲劳分析4.1有限元模型模型选取完整的后车门总成及部分白车身（如图2所示），并在车身截面处约束所有自由度, 整个模型单元数为70057个图2车门撞击分析的FE模型鉴于车门关闭过程中，车门质量对初始动能其决定性作用，必须保证车门有限元模型与真实 车门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、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用弹簧单元模拟车门密封条在车门关闭过程中 对车门的缓冲作用。

车门锁及其附属必须按真实形状建模，如图3所示图3门锁的FE模型由于车门撞击过程中，材料一般超过屈服，所以必须引用材料各拉伸速率下真实应力应变曲 线（如图4所示），将同一材料不同速率下的应力应变曲线合成表加到材料信息里本文 中车门撞击强度分析是基于LS-Dyna的显式非线性分析图4某低碳钢不同拉伸速率下的应力应变曲线4.2强度分析根据标准，在车门关门方向分别施加几个不同的初始速度，模拟车门日常使用中的关门，利 用显示非线性求解，得到相应初始速度下模型在撞击过程中的应力随时间的变化情况分析结果中同时需要输出能量随时间变化曲线（如图5所示），检查总能量是否守恒，是 否存在沙漏及其他不正常情况---1-II图5能量随时间变化曲线通过查看锁扣处反力（如图6所示）确定各速度下从开始撞击到车门完全锁上一次关闭车 门经历的时间，取该时段内模型应力结果供疲劳分析使用图6不同初始速度下锁扣处约束反力随时间变化值分析结果显示，门内板、侧围外板以及与较链相连的门加强支撑板为高应力危险部件（如图 7所示）5. 物理试验验证在车门样件制作完成后，工程师对车门slam过程进行了物理试验验证，结果显不试验过程 中无异常，各零部件状态良好、无裂纹产生，满足设计要求。

物理试验很好地验证了疲劳分 析结果的准确性可靠性6. 结论本文根据疲劳基本理论，借助MSC.Fatigue疲劳分析软件，对车身开闭件的关闭撞击疲劳 问题进行了仿真研究，并以某车型后门为例，进行了撞击疲劳仿真分析，分析结果也得到了 物理试验较好的验证结果表明，基于MSC.Fatigue对汽车开闭件的撞击损伤进行疲劳分析是可行的，可以为设 计提供一定的依据，预测结构的疲劳寿命参考文献[1] 周传月、郑红霞、罗慧强.MSC. Fatigue疲劳分析应用与实例.科学出版社，2005年[2] 王国军、胡仁喜.nSoft疲劳分析理论与实例.机械工业出版社，2007年[3] 姚卫星.结构疲劳寿命分析.国防工业出版社，第一版，2003年[4] 王成国，孟广伟，原亮明，刘敬辉.新型高速客车构架的疲劳寿命数值仿真分析.中国 铁道科学，第22卷，第3期，2001年.(end)。