摘要：針對某車型整車耐久路試過程中發動機罩鉸鏈加強板焊點出現開裂的問題，采用模態瞬態法對發動機罩焊點進行疲勞分析。根據發動機罩模態應變能分布情況優化鉸鏈加強板結構和焊點分布，試驗車整改后在整車耐久路試中發動機罩焊點未再出現開裂現象。發動機罩鉸鏈加強板焊點開裂是振動疲勞問題，采用基于慣性釋放的準靜態法計算疲勞損傷不能預測焊點開裂問題，采用模態瞬態法疲勞計算方法才能更好地預測發動機罩焊點疲勞損傷。從模態應變能角度對結構振動疲勞開裂問題進行優化能明顯提高優化效率。

　　關鍵詞：模態瞬態法; 準靜態法; 焊點; 開裂; 振動; 疲勞

　　0 前 言

　　發動機罩是由外板、內板、撐桿、鎖扣及鎖扣加強板、鉸鏈加強板和鉸鏈總成等多個部件組成的復雜總成系統，其造型直接影響汽車的整體視覺效果，與整車空氣動力學特性也有直接關系。發動機罩的主要作用是保護發動機，同時具有隔熱和隔音效果。[12]發動機罩的結構設計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、NVH和耐久性等各方面的性能要求。

　　基于慣性釋放的準靜態疲勞計算法簡單快捷，因此在汽車領域得到廣泛應用，但這種方法無法考慮動態響應造成的疲勞損傷，對門蓋等易產生振動部件的疲勞損傷計算精度不高。針對某車型在整車耐久路試過程中發動機罩鉸鏈加強板焊點開裂問題，采用模態瞬態法計算疲勞損傷，成功復現并最終解決發動機罩焊點開裂的問題。采用模態瞬態法進行疲勞計算，能較好地預測焊點振動疲勞開裂問題，為其他項目類似問題的解決提供參考，也為后續新項目的開發提供新的方法和思路。

　　1 焊點開裂問題分析

　　1.1 開裂問題描述

　　在某車型整車路試耐久試驗過程中，試驗進行約40%時，檢查發現3臺試驗車均出現發動機罩左、右鉸鏈加強板焊點開裂問題，

　　開裂焊點位置左右對稱，每側有3處焊點開裂。

　　單側鉸鏈加強板實物的開裂位置見圖1(a)，發動機罩鉸鏈加強板結構和焊點分布模型見圖1(b)。

　　鉸鏈加強板與發動機罩內板局部特征平臺用焊點連接，共分布9個焊點;為增加加強板剛度，鉸鏈加強板邊緣設置一圈翻邊。

　　1.2 開裂原因分析

　　檢查試驗車發動機罩鉸鏈加強板焊點，確認所有試驗車該處焊點無虛焊、過燒等問題，焊點質量合格。

　　檢查問題試驗車發動機罩裝配狀態，確認發動機罩的緩沖塊、密封條、鎖和鉸鏈等部件裝配狀態均正常。

　　在設計階段，采用基于慣性釋放的準靜態法仿真分析整車焊點疲勞損傷，發動機罩鉸鏈加強板焊點疲勞損傷計算結果見圖2。焊點疲勞損傷值均較小，焊點損傷最大值為3.1×10-2，遠小于焊點損傷目標值1。總體來看，試驗車出現開裂的3個焊點疲勞損傷值明顯高于周圍其他焊點，仿真焊點損傷分布趨勢與試驗車焊點損傷分布趨勢一致。這說明雖然車輪載荷相位差會導致車身彎扭變形，使發動機罩鉸鏈加強板焊點產生疲勞損傷，但該損傷值比較小，不足以導致焊點疲勞開裂。因此，推測可能是焊點疲勞損傷仿真分析沒有完全涵蓋發動機罩所有的受力工況，導致計算的發動機罩焊點損傷值偏小。

　　疲勞損傷計算結果

　　在汽車行駛過程中，各部件會受到交變載荷作用產生疲勞損傷。基于慣性釋放的準靜態疲勞計算方法具有簡便快捷的優點，當激勵載荷的頻率與結構的最低階模態固有頻率相差較大時，結構應力與激勵載荷之間是線性對應關系[3]，因此基于慣性釋放的準靜態疲勞計算方法對于沒有動態響應的車身耐久性能計算精度比較高。但是，當激勵載荷的頻率與結構的某階模態固有頻率比較接近時，結構會產生較強的共振，此時結構應力與激勵載荷之間不再是線性對應關系[3]，基于慣性釋放的準靜態疲勞計算方法無法考慮共振成分，因此計算精度降低。在汽車的各部件中，

　　發動機罩屬于易振動部件。在汽車行駛過程中，發動機罩會受到來自路面的激勵，路面載荷的激振頻率一般為1～30 Hz[46]，因此推測該焊點開裂可能是由于發動機罩受到路面激勵導致焊點產生振動疲勞，而設計階段采用基于慣性釋放的準靜態法計算整車疲勞性能，未預測到該發動機罩焊點開裂問題。

　　2 焊點開裂問題復現

　　模態瞬態法疲勞計算方法是基于模態法瞬態響應分析的一種疲勞分析方法。目前，國外先進主機廠如沃爾沃、福特等均使用該方法計算整車疲勞性能，效果較好。瞬態響應分析是計算結構在隨時間變化的載荷作用下的響應，屬于時域分析，可以直接反映振動問題。[7]模態法瞬態響應分析是利用模態向量對耦合的動力學方程進行解耦，然后再由單個的模態響應進行疊加得到問題的最終結果[8]，計算過程如下。

　　對于無阻尼系統，其動力學方程為

　　式中：mi為第i個模態質量;ki為第i個模態剛度;Pi(t)為第i個模態力。

　　通過求解一系列單自由度系統運動方程，可得到各階模態的模態坐標，將各階模態向量和對應的模態坐標按照式(2)進行疊加計算，可得到瞬態響應分析的最終結果。

　　根據模態法瞬態響應分析的理論求解過程，建立模態瞬態法疲勞計算流程，見圖3。

　　利用車輪六分力傳感器測試技術采集試驗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仿真模型中。通過載荷虛擬迭代技術獲取作用在車身與底盤接附點上的載荷譜，并據此對整車進行模態瞬態響應分析，輸出模態坐標。同時，通過整車模態分析輸出模態節點力，將各階模態振型對應的模態節點力和根據動力學方程求解的模態坐標時間歷程進行疊加計算，得到焊點動態應力時間歷程。使用雨流計數法對不同應力水平的循環次數進行統計，根據Miner線性損傷累積法則(式(5))，結合焊點疲勞壽命曲線計算焊點疲勞損傷。

　　式中：D為總疲勞損傷;l為交變載荷的應力水平總數;ni為第i個應力水平下的循環次數;Ni為第i個應力水平下的疲勞壽命。

　　使用模態瞬態法疲勞計算方法重新計算發動機罩焊點的疲勞損傷，并與準靜態法的計算結果進行對比，見表1。

　　2種計算方法得到的

　　試驗車開裂的3個焊點疲勞損傷值分布規律一致，開裂焊點3的疲勞損傷值最大，開裂焊點1的疲勞損傷值次之，開裂焊點2的疲勞損傷值最小。模態瞬態法得到的3個焊點疲勞損傷值較準靜態

　　法的計算結果有大幅增加，其中：開裂焊點1和開裂焊點3的疲勞損傷值均超過損傷目標值，與試驗車開裂情況一致;開裂焊點2疲勞損傷未超過損傷目標值，沒有開裂風險，考慮試驗車可能是焊點1和焊點3先開裂，進而導致焊點2開裂。這也證明前文推測的正確性，即發動機罩鉸鏈加強板焊點開裂是由于路面激勵導致的振動疲勞開裂。

　　3 優化方案

　　由于整車狀態下模態瞬態法疲勞計算用時較長，而振動疲勞問題一般與部件某階模態相關，因此先從模態應變能的角度初步優化鉸鏈加強板結構和焊點分布，再用模態瞬態法疲勞計算方法在整車模型中對焊點疲勞損傷進行驗證，以提高優化效率。

　　基礎發動機罩內板鉸鏈安裝區域的1階模態應變能見圖4。由此可知，該區域應變能較大的位置主要集中在試驗車出現焊點開裂的位置，并且應變能的分布規律與焊點疲勞損傷計算結果一致。針對本例的焊點振動疲勞開裂問題，發動機罩1階模態應變能的分布可以間接反映焊點疲勞損傷的分布規律，證明從模態應變能的角度優化鉸鏈加強板結構和焊點分布具有可行性。

　　原發動機罩鉸鏈加強板結構和焊點分布見圖1(b)。原鉸鏈加強板整車坐標系下的x向長度較短、y向平面覆蓋范圍較大，周邊設有翻邊增加加強板剛度，并且后鉸鏈安裝孔距離加強板邊緣較近，導致加強板x向邊緣局部剛度不連續，而發動機罩1階模態振型為后端整體z向彎曲振型，因此發動機罩內板在鉸鏈加強板x向邊緣焊點周邊的模態應變能較大。針對以上分析，對發動機罩鉸鏈加強板結構和焊點分布進行優化，具體方案見圖5(a)：一方面，沿x向加長加強板并增加焊點連接，使x向局部剛度平緩過渡，同時前鉸鏈螺栓安裝點沿x向前移10 mm，增加2個螺栓安裝孔的跨度;另一方面，減小加強板平面區域y向寬度，同時增大其y向與發動機罩內板折邊的搭接面，并增加焊點連接，提升內板折邊區域局部剛度。計算得到優化方案發動機罩的1階模態頻率為28.7 Hz，較原模型提升2.0 Hz。優化后的發動機罩內板鉸鏈安裝區域模態應變能分布見圖5(b)。由此可知，發動機罩內板與鉸鏈加強板連接的焊點附近應變能集中現象消失，最大應變能較優化前明顯降低，最大應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致的，因此推測此優化方案可有效降低焊點振動疲勞損傷。

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