气阻效应对关门耐久性的影响

摘要

在整车研制过程中，车门闭锁耐久性评估在车身闭锁系统疲劳寿命评估中占有重要地位。到目前为止，人们已经考虑了各种影响，以更好地代表门的耐久性性能的关门模拟。如今，随着计算机辅助工程(CAE)的广泛应用，为了获得与物理测试一样精确的结果，模拟程序不断被研究。在现实的情况下，客户经常会克服密封的舱室产生的关闭压力才能关上舱门。舱室压力与关门的方向相反，提供阻尼效果，影响并最大限度地减少对结构的整体损坏。目前，仿真的重点是通过计算密封件和闩锁损失的能量来确定关门所需的总能量。在分析中往往忽略了克服气结效应所需的能量。本文研究了空气约束对车门结构耐久性的影响，采用显式解算器中的应力分析和疲劳解算器中的应变-寿命分析，模拟了客户在10年汽车生命周期中的使用情况。

引言

采用CAE分析方法，对实际工况下车门的耐久性进行了评估。在汽车工业中，关门速度(DCV)是分析关门耐久性的重要设计数据。同时也说明了车辆的质量和车辆的工程质量。Mahadule R.等人的研究提供了一个计算关门力的数学模型，该模型考虑了铰链、门闩、空气约束、门密封、门重量和门检查带的能量消耗。作者还开发了一个基于MS- Excel的交互式应用程序，以计算各种设计参数的DCV和能量贡献。对于舱门上玻璃位置分析，观察到舱内空气压力导致关门力的主要能量贡献量。

Pereira F.等人的研究提供了一种简化的方案来衡量关门过程中的组件级别贡献。Unadkat, S.等人的研究重点是通过对关门事件的动态分析来改进门的设计。

在分析中常常不考虑克服气结效应所需要的能量。这项工作致力于建立一种复杂的方法来可视化和分析空气约束对侧摆门系统的功能和结构特征的影响。采用联合仿真方法，利用基于计算流体力学(CFD)的压力载荷输入数据，模拟关门事件过程中的气阻效应。

气阻效应

如图1所示，封闭舱室的关门工况是一种典型的车门操作工况。舱内空气压力造成的能量消耗是整个关门过程中的一个重要因素。在关门过程中，一部分空气被推入舱内，这种效应被称为“气阻效应”。在密封压缩过程中，舱门间隙面积接近零，空气在舱内被迅速压缩。大部分空气通过车门间隙和车内的通风口排出。当研究压力随门位移变化的曲线图时，在闭锁状态下观察到一个峰值，并最终随着空气从通风口排出而下降。图2显示了气阻效应引起的压力变化。

图1 典型的车门在半开的位置

图2 由于气阻效应而引起的压力变化

总能量是由密封空气腔、密封刚度、铰链摩擦、门闩、检查带、门重量和舱内气压等参数的能量消耗之和计算出来的。

在图3中观察到，舱内空气压力是门上玻璃位置的关门力的主要贡献量。

图3 关门力的能量贡献

CAE方法论

关门测试的目的是在10年的车辆生命周期内，对客户车门的功能和结构性能进行虚拟评估。为了研究客舱空气压力对车门耐久性的影响，首先按照既定程序进行分析。

图4 门关闭时压力增加(剖面图)

采用ABAQUS包中流体结构相互作用(FSI)的任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法进行了概念试验，建立了一个真实的模型。在封闭的小隔间空间中进行了基本试验，以复制舱室和可以复制门的移动物体，如图4所示。简化的舱室和舱门模型包含在一个用实体元素离散的立方体表示的空气环境中。材料的力学性能被认为与变形速率无关。概念试验的输出与预期读数一致。主要缺点是由于欧拉域的离散化必须比拉格朗日域的离散化要精细，因此模拟的时间消耗大。

考虑到所有方面，采用了替代方法。

目前的工作采用了联合模拟的方法，以纳入客舱气压的影响。利用CFD软件包采集了闭门工况下的瞬态压力数据。将采集到的压力数据用mapper工具映射到有限元关门模型上，然后用显式求解器进行关门仿真，进行应力评估。疲劳模拟在疲劳求解器中进行，利用冲击模拟得到的应力历史进行疲劳模拟。

关门模型设置

模拟采用全尺寸车门模型。有限元模型由白门(DIW)、白车身(BIW)、门与车身铰链、门饰件、门模块、门与车身密封条、门玻璃、门保险杠和门闩组成，如图5所示。

为了模拟门、本体、铰链、门闩和密封件的变形情况，采用适当的材料数据，用结构单元表示。

对于物理撞击测试，门被完全打开角度。但为了降低计算成本，在虚拟测试中，门被打开1.5度，角速度等效于摔门速度。如图6所示，在所有自由度(DOF)下对车身切割截面进行约束。

图5 典型的车门和车身结构

图6 关门模型设置

CFD仿真

CFD模拟能够处理流体流动及其与固体的相互作用的研究。空气被认为是一种可压缩流体，因此一种数值方法可以用来确定舱内空气压力波动在门关闭。整个过程只需要很短的时间，大部分在几百毫秒之内。因此，为了识别由于夹带空气导致的瞬态压力上升，CFD模拟是一种非常有效的替代方法。当门关闭时，空气对它产生了阻力，这种阻力是看不见的，但在门的内饰上存在着一定数量的阻力。为了预测这种空气阻力在空气压力方面的CFD方法被发展。

CFD仿真设置

为了重现门的运动，移动网格是必要的。在文献调查当中，使用用户定义的子程序(UDS)来指定移动门的运动，该子程序在旋转时使网格变形。现代软件的发展允许使用重叠动态网格。重叠网格主要用于离散一个计算域，多个不同的网格以任意的方式相互重叠。因此，它可以是最有用的问题处理多个或运动的机构，以及优化研究。

在重叠网格中，细胞聚集成活性单元、惰性单元或受体细单元。在活性单元内，处理离散的控制条件。在惰性单元内，不解决任何条件；然而，如果反转边界移动，这些单元可以变得活跃。受体单元分离背景区域的活性单元和惰性单元，并与重叠区域的重叠边界结合。

利用受体单元来耦合两个重叠网格上的结果。为了捕获靠近壁面和边界的流动，可以增加棱柱层网格。通过与实验分析比较，重叠网格给出了很好的数值解。

为了开发一种用于运动车门的重叠网格方法，分别在一个小长方体上和在一个虚拟汽车座舱上进行了概念试验和概念验证。由于这是一个汽车座舱，所以在研究之初很少做如下的基本假设，

•汽车被认为是在稳定位置

•车辆点火关闭，没有辅助设备运行

•车辆周围是稳定的空气在大气条件

•所有玻璃窗正在关闭

•只有一个门(Co-driver侧)开放其最大可能限制

•门是关闭在恒定的角速度

•通过设置孔和排气装置来考虑车体泄漏

基于上述假设下的概念试验结果，最终确定了求解器的细节，并进行了系统的网格独立研究以确定网格尺寸。在网格独立研究的基础上，确定了网格参数。

图7 截面CFD重叠网格视图

图8 CFD仿真模型 (a)门开启(b)门关闭

图9 关门速度下的内门表面压力分布 (a) CFD曲面(b)映射曲面

结果与数据采集

对门内侧进行压力监测，采用平均压力分布拾取法得到内表面压力值的图形表示。由于关门场景是几百毫秒，所以使用了非常小的1毫秒(0.001秒)的时间步长。这些开门运动都是按照组织的标准程序进行的。采用一种自停止门速度场函数来提供角位移和到达门闩位置时的有限停止。为了简化模拟和降低运行时间，门保持近似。开放成度为从其最大开放位置的35-40%。

压力映射

由此得到的门板内饰的压力标量和相应的压力值被映射到网格面上，并用于进一步的关门模拟应力计算。CFD曲面与映射的CAE曲面的可视化对比如图9所示。

图9内门内饰的平均压力与时间图表中，显示了内门内饰在最大压力点的压力表示。

图10以非常精细的方式表示了关门速度为120%时仅100 ms(0.1秒)的数据。图10中的点“A”表示门内侧的最大压力，如图9所示。A点之后的一个非常陡峭的下降是由于空气移动到车的另一边，第二个曲线是由于在客舱到达稳定状态之前同一扇门上的反弹空气波。类似地，还生成了其他关门速度的数据。

图10 内门压力与时间的关系图

图11 DCV 120%和140%及撞击条件下的瞬态压力图

门上的压力变化

由于门是唯一移动的物体，所以它会压缩舱内的空气，而空气会对这个运动产生阻力，并在门表面产生压力。使用图11中的方法测量这种变化。在闭锁位置观察到压力的尖峰，压力的突然下降是由于压力波在门刚刚关闭时从门表面传播到对面的墙，并再次击中门表面，导致突然上升，这一信息可以用来确定所需的关门力。撞击条件在10fps时峰值最高，其次分别为140%和120%的DCV。

计算了DCV 140%、DCV 120%和撞击三种不同速度下的压力数据。

利用结果映射工具，将CFD分析得到的瞬态压力数据映射到CAE设置上。来自CFD分析的压力输出映射到应力评估网格，作为耐久性分析的负载。

疲劳分析

根据公司标准计算门和车身部件的疲劳寿命，达到设计目标。疲劳模拟在nCode中进行，利用冲击模拟得到的应力历史。在疲劳分析中采用Neuber方法进行塑性应力修正。Neuber方法在平均应力集中时估计总弹塑性应变和应力。

结果与讨论

利用CFD的压力输入对关门速度进行了耐久性模拟。模拟结果监测能量平衡，冲击和密封力数据，以及门和车身部件的应力和疲劳寿命。然后比较了有无气阻效果的结果。

气阻效应对关门力影响

如图12、13和14所示，在考虑气阻效应的关门模拟中，可以观察到能量、密封和冲击力的显著变化。必须对系统做外部功，以克服空气对关门运动的压力形式的阻力。

撞针以及密封条影响

与门运动方向相反的空气施加的压力对暴露表面产生缓冲作用。这种缓冲作用减少了作用在闩锁和撞针上的力，从而在一定程度上防止了由循环加载造成的损坏。对比图15和图16，关门耐久性的疲劳寿命有明显的差异。

图12 考虑和不考虑气阻效应的模拟能量比较

图13 仿真考虑和不考虑气阻效应时的撞针力比较

图14 仿真考虑和不考虑气阻效应时的总密封碰撞力比较

图15 常规关门耐久性的疲劳寿命评估(无气阻效应)

图16 结合气阻效应的关门耐久性疲劳寿命评估

总结

在真实的密闭舱室环境中，舱门客服气阻效应。关门运动在舱室内部产生一种主要沿与门表面垂直方向传播的压力波。这种波提供了一种阻尼效应，并将结构的整体损伤降至最低。

从CAE结果的比较中可以看出，模拟中的气阻效应给出了更实用的解读。

结合气阻效应的疲劳寿命评估结果表明，门和车身部件的疲劳寿命提高了50%，这为优化设计提供了机会。

与传统方法相比，采用CFD压力输入的联合模拟方法产生的空气绑定效应仍然更接近真实世界的情况。

未来可以研究车辆动态状态下的舱内气压变化，即压力随时间的变化。

文章出处：Mahadule, R., Rege, K., and Gaikwad, S., "Air Bind Effect on Door Slam Durability Performance," SAE Technical Paper 2021-01-0822, 2021, https://doi.org/10.4271/2021-01-0822.