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汽车侧门开闭疲劳数值模拟方法研究

AStudyonNumericalSimulationofAutomobileSideDoor

Fatigue

龚义群，景向策，李志强，盛守增

长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定，071000

RDCenterofGreatWallMotorCompany;TheAutomobileEngineeringTechnologyResearchCenter

ofHebei,BaodingHebei071000,China

摘要：本文提出了一种汽车侧门开闭疲劳数值模拟的建模方法，并利用试验采集数据对仿真

模型进行标定，保证了计算结果的准确性，同时通过对仿真结果的进一步研究，提出了一种

设定时间阀值的方法，可大幅缩短仿真计算时间，提高效率。

关键词：有限元，车门，疲劳仿真

1.前言

车门系统与车身其它构件共同构成整车框架总成，同时车门系统自身又是相对独立的组件，

且是由结构形状复杂的薄板结构组成。在实际使用过程中，车门是整车中第一个与乘员交互的系

统，乘员须将车门打开进入到车内，随后关闭车门，所以车门开闭是使用频次非常高的行为，因

而在新车的研发阶段必须保证车门开闭疲劳性能，使其在经多次开闭后依然状态良好，尤其需要

保证其结构件满足疲劳性能，如钣金、焊点无开裂、门锁机构正常锁止等。目前行业对于车门

开闭耐久性能主要通过试验的方法来评估，其中耐久试验耗时长、成本高，所以车门关闭过程的

仿真模拟已成为一门重要课题。

车门的开闭仿真是一个高度非线性瞬态动力学问题，其涉及到材料非线性、边界非线性、几

何非线性以及碰撞瞬间的高速应变等问题，因而获得车门关闭过程中精确的数值解具有相当难度。

本文以某款SUV车型为对象，建立了完整的车门侧围模型，通过试验数据采集获取准确的载荷输

入，利用Abaqus/Explicit进行瞬态动力学求解计算，并结合试验采集关键位置的应力时序对仿真

模型进行标定，然后利用nCode对其进行耐久性能分析，通过与台架耐久试验结果对比研究，

验证了该分析方法的精确性。

2.瞬态动力学的有限元解法

在车门关闭过程中，从锁体、锁扣接触开始到完全实现锁止，大约需要30-40ms，且关闭过

程中车门钣金与锁止系统之间存在复杂的接触关系。在分析此类高速动力学、复杂接触问题时，

一般宜采用显式方法求解。中心差分法是最常用的显式方法。显式时间积分见图1

图1显式计算时间积分原理

假定时刻0,?1,?2,?3…???1,??位移?0,?1,?2,?3…???1,??均已知，假设上述时刻的速度和加速度分别为??0,??1,??2,??3…????1,???和??0,??1,??2,??3…????1,???，根据中心差分法原则，可以得到下式：

??

1

2

?+

=

??+1???

??+1???

=

1

??

?+1

2

(??+1???)（1）

???=

?????

?+1??1

22

???

?+1??1

22

=

1

???

(??

1

2

?+

???)（2）

1

??

2

??

1

2

??

=

??????1

??????1

=

1

??

??1

2

(??????1)（3）

上式中：

??

1

2

?+

=??+1???（4）

???=?

1

2

?+

??

1

2

??

（5）

??

??1

2

=??????1（6）

将式（1），式（2）变形得到：

??+1=??+??

1

2

?+

???

1

2

?+

（7）

??

1

2

?+

=??

1

2

??

+???????（8）

假设??时刻节点的外力和单元内力分别为P、I，则其运动微分方程为：

???=???（9）

其中?为节点质量。联立方程（3）、（7）、（8）、（9）可求得

un+1=un+

?t

n+1

2

?t

n?1

2

(un?un?1)+?t

n+1

2

??tn?（P?I）?[M]?1

至此，系统在给定初始状态的位移、速度、加速度和受力情况后，可以在时间上“显式地”

向前推得到所有时刻的位移，根据中心差分法对位移求一阶、二阶导数分别可以得到所有时刻的

速度、加速度，同时可以得出所有时刻的节点应变和应力。

3.分析工况和仿真模型

车门关闭过程中，通过手持力的持续作用一段时间后，车门系统会产生一个以车门铰链轴线

为旋转轴的角速度，在手持力撤销以后，车门以此刻的角速度撞向侧围，故关门过程中系统的载

荷输入即为手持力撤销瞬间的角速度。为了实现