摘要：針對某車型整車耐久路試過程中發(fā)動機(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)動機(jī)罩焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)發(fā)動機(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)動機(jī)罩焊點(diǎn)未再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板焊點(diǎn)開裂是振動疲勞問題，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; 疲勞

　　0 前 言

　　發(fā)動機(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，與整車空氣動力學(xué)特性也有直接關(guān)系。發(fā)動機(jī)罩的主要作用是保護(hù)發(fā)動機(jī)，同時(shí)具有隔熱和隔音效果。[12]發(fā)動機(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態(tài)響應(yīng)造成的疲勞損傷，對門蓋等易產(chǎn)生振動部件的疲勞損傷計(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)動機(jī)罩裝配狀態(tài)，確認(rèn)發(fā)動機(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。總體來看，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)動機(jī)罩所有的受力工況，導(dǎo)致計(jì)算的發(fā)動機(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)動機(jī)罩屬于易振動部件。在汽車行駛過程中，發(fā)動機(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)動機(jī)罩受到路面激勵(lì)導(dǎo)致焊點(diǎn)產(chǎn)生振動疲勞，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)振動疲勞開裂問題，發(fā)動機(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)振動疲勞損傷。

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