摘要：目前在汽車車門性能仿真中主要分析車門的剛度性能、自由模態以及抗凹性能。車門這些性能的好壞不僅影響車門系統與側圍之間的間隙與段差的控制，更直接影響到跟門系統相連接的車身部分零件的疲勞壽命。還會影響到車門的密封性能導致漏風漏水等問題，甚至會導致玻璃升降時窗框劇烈震動或無法升降。 本文用有限元方法借助HyperMesh 和RADIOSS對某乘用車的車門進行了仿真研究，并將結果與公司標準進行對比，仿真結果證明該車門的性能符合公司要求。該車門的樣車順利通過了車門的疲勞試驗證明了仿真的可靠性。
1. 引言
近年來CAE技術在汽車開發中的應用，大大的縮短了汽車的開發周期，降低了開發成本。目前，隨著汽車輕量化和經濟性能的不斷提高，汽車各零件的剛度性能難免有不同程度的降低。本文運用CAE技術完成了車門的性能仿真，證明了車門性能滿足要求，甚至有很大的剛度富裕。
2. 車門有限元模型的建立
在HyperMesh中建立車門的有限元模型如圖1。
對模型中的殼體四邊形單元賦予CQUAD4類型，三角形單元賦予CTRIA3類型，實體六面體單元賦予CHEXA類型，五面體單元賦予CPENTA類型，四面體單元賦予CTETRA類型。
車門為多個零件組成的總成件，零件之間的連接方式的模擬對仿真精度有非常重要的影響。在車門系統中連接方式包括點焊、燒焊、粘膠、包邊、螺栓連接等。本文中采用ACM單元模擬點焊，直徑為4mm。采用剛性單元RBE2來模擬燒焊和螺栓連接。粘膠則通過零件之間利用Adhesive單元連接來模擬。
整個門系統包括有18個主要零件，零件序號和名稱如圖2和表1所示。
3. 車門剛度分析
目前對車門的剛度分析中普遍采用7個剛度工況方法來分析車門的7種剛度，分別為下垂剛度、上扭剛度、下扭剛度、窗框中部剛度、窗框角部剛度、內板帶線剛度、外板帶線剛度。具體如下：
(1) 下垂工況
下垂剛度是最重要的一個評價指標。下垂剛度不僅影響車門系統與側圍之間的間隙與段差的控制，更直接影響到跟門系統相連接的車身部分零件的疲勞壽命。下垂剛度說明如圖3。在車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，鎖芯約束2，鎖芯施加Z向800N的集中力，分析Z向變形。
(2)上、下扭轉工況
車門的扭轉工況分上扭和下扭，分別加載在車門不同位置。是評價車門整體抗扭轉能力的一個指標，關系著車門的密封性能。如圖4所示。
上扭工況在窗框帶線下25mm，鎖側密封面上施加Y向900N的均布力(由門內側指向門外側)；下扭工況是在與門角成45度角的密封面上施加Y向900N的均布力(由門內側指向門外側)。
評價指標：車門Y向最大變形點的Y向變形。
(3)窗框中部、角部工況
車門的窗框工況分兩種，分別加載在窗框中部和鎖側的窗角位置，分別考察窗框中部和角部區域的剛度性能，是評價車門窗框在Y向抗變形的能力。如圖5所示。
邊界條件：車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，邊框帶線以下均勻3處約束123456。中部窗框工況加載窗框表面法線方向200N(由門內側指向門外側)；角部窗框工況加載窗框表面法線方向250N(由門內側指向門外側)。
評價指標：加載點在法線方向的變形。
帶線位置即窗沿區域。帶線位置結構的強弱將直接影響著玻璃的升降平順性以及客戶對車門的整體感官認識。帶線工況也分為兩種：內板帶線工況和外板帶線工況，分別考察內外板帶線處結構的Y向剛度，如圖6所示。
邊界條件：車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，邊框帶線以下均勻3處約束123456。在玻璃升降區域的正中位置，內板帶線剛度在內板上施加Y向80N的力(由門內側指向門外側)，外板帶線剛度在外板上施加Y向80N的力(由門外側指向門內側)。
評價指標：加載點Y向變形。
在HyperMesh中完成7種工況的前處理后調用RADIOSS（采用Bulk Data Format）軟件求解，在HyperView中查看剛度結果，如表2所示。 family:"Times New Roman"'>由門內側指向門外側)；角部窗框工況加載窗框表面法線方向250N(由門內側指向門外側)。
評價指標：加載點在法線方向的變形。
4. 車門自由模態分析
自由模態分析仍采用車門結構靜剛度分析所用的有限元模型，解除全部約束和載荷，建立新的模態計算載荷(計算車門自由狀態下1Hz-100Hz區間內的模態)。計算結果如下：
5. 車門抗凹性能分析
若車輛外板件抗凹性不好，按壓時會發生過大位移甚至凹坑，給顧客留下不好的印象。因此，車輛外板件的抗凹性能也是評價性能之一。對于前側門而言，由于外板厚度為0.8mm，且表面光滑無特征，因此需要評價其抗凹形能。
車門抗凹性能的模擬方法如圖13所示：固定門邊，建立一個直徑為40mm的剛性小球，并給小球在門外板表面法線方向的10mm強制位移實現“按壓過程”，以小球和外板之間的接觸力為評價指標。
圖15是本次抗凹分析的結果。P1_0.8mm表示外板為0.8mm時P1點的抗凹性能曲線，P1_0.7mm表示外板為0.7mm時P1點的抗凹性能曲線，其余類似。曲線在合格線上表示合格，在良好線上表示良好。從圖中可以看出，外板為0.8mm時，P3點曲線基本處于良好線之上，此點抗凹形能良好。P1和P2點曲線部分處于合格線之下，即初始階段不能滿足要求。當外板為0.7mm時，3個點的抗凹性能均下降較多，且P2點嚴重不滿足要求。由此可見外板厚度應為0.8毫米。
本文用有限元方法借助HyperMesh和RADIOSS模擬分析了某乘用車左前門的性能，包括剛度性能、模態性能和抗凹性性能，結果表明車門的剛度和模態性能滿足公司標準，外板采用0.8毫米時車門的抗凹性能也基本滿足要求。該車門的樣車順利通過了車門的疲勞試，驗證明了仿真結果的可靠性。
7.參考文獻
[1] 郝琪，張繼偉．基于數值模擬的轎車車門靜態性能綜合評價及模態分析.機械設計與制造，2008，11.
[2] 李楚琳，張勝蘭，馮櫻等. HyperWorks 分析應用實例. 北京：機械工業出版社. 2008.
[3] Junbo Jia,Anders Ulfvarson A parametric study for the structural behaviour of a lightweight deck.Engineering Structures,2004,26:963-977
[4] J.K.Shin, K.H.Lee, S.I.Song, et al. Automotive Door Design with the ULSAB Concept using Structural Optimization. Struct Multidisc Optim, 23: 320-327
[5] 胡朝暉，成艾國，王國春，鐘志華.多學科優化設計在拼焊板車門輕量化中的應用.中國機械工程，2010，21(4)：495-499
[6] 德安，趙建才．轎車車門剛度有限元分析及結構優化．汽車工程，2001，23(6)：47-51
1. 引言
近年來CAE技術在汽車開發中的應用，大大的縮短了汽車的開發周期，降低了開發成本。目前，隨著汽車輕量化和經濟性能的不斷提高，汽車各零件的剛度性能難免有不同程度的降低。本文運用CAE技術完成了車門的性能仿真，證明了車門性能滿足要求，甚至有很大的剛度富裕。
2. 車門有限元模型的建立
在HyperMesh中建立車門的有限元模型如圖1。
對模型中的殼體四邊形單元賦予CQUAD4類型，三角形單元賦予CTRIA3類型，實體六面體單元賦予CHEXA類型，五面體單元賦予CPENTA類型，四面體單元賦予CTETRA類型。
車門為多個零件組成的總成件，零件之間的連接方式的模擬對仿真精度有非常重要的影響。在車門系統中連接方式包括點焊、燒焊、粘膠、包邊、螺栓連接等。本文中采用ACM單元模擬點焊，直徑為4mm。采用剛性單元RBE2來模擬燒焊和螺栓連接。粘膠則通過零件之間利用Adhesive單元連接來模擬。
整個門系統包括有18個主要零件，零件序號和名稱如圖2和表1所示。
圖2 左前門零件圖
3. 車門剛度分析
目前對車門的剛度分析中普遍采用7個剛度工況方法來分析車門的7種剛度，分別為下垂剛度、上扭剛度、下扭剛度、窗框中部剛度、窗框角部剛度、內板帶線剛度、外板帶線剛度。具體如下：
(1) 下垂工況
下垂剛度是最重要的一個評價指標。下垂剛度不僅影響車門系統與側圍之間的間隙與段差的控制，更直接影響到跟門系統相連接的車身部分零件的疲勞壽命。下垂剛度說明如圖3。在車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，鎖芯約束2，鎖芯施加Z向800N的集中力，分析Z向變形。
(2)上、下扭轉工況
車門的扭轉工況分上扭和下扭，分別加載在車門不同位置。是評價車門整體抗扭轉能力的一個指標，關系著車門的密封性能。如圖4所示。
上扭工況在窗框帶線下25mm，鎖側密封面上施加Y向900N的均布力(由門內側指向門外側)；下扭工況是在與門角成45度角的密封面上施加Y向900N的均布力(由門內側指向門外側)。
評價指標：車門Y向最大變形點的Y向變形。
(3)窗框中部、角部工況
車門的窗框工況分兩種，分別加載在窗框中部和鎖側的窗角位置，分別考察窗框中部和角部區域的剛度性能，是評價車門窗框在Y向抗變形的能力。如圖5所示。
邊界條件：車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，邊框帶線以下均勻3處約束123456。中部窗框工況加載窗框表面法線方向200N(由門內側指向門外側)；角部窗框工況加載窗框表面法線方向250N(由門內側指向門外側)。
評價指標：加載點在法線方向的變形。
帶線位置即窗沿區域。帶線位置結構的強弱將直接影響著玻璃的升降平順性以及客戶對車門的整體感官認識。帶線工況也分為兩種：內板帶線工況和外板帶線工況，分別考察內外板帶線處結構的Y向剛度，如圖6所示。
邊界條件：車身側鉸鏈安裝孔約束123456(放開鉸鏈之間旋轉自由度)，邊框帶線以下均勻3處約束123456。在玻璃升降區域的正中位置，內板帶線剛度在內板上施加Y向80N的力(由門內側指向門外側)，外板帶線剛度在外板上施加Y向80N的力(由門外側指向門內側)。
評價指標：加載點Y向變形。
在HyperMesh中完成7種工況的前處理后調用RADIOSS（采用Bulk Data Format）軟件求解，在HyperView中查看剛度結果，如表2所示。 family:"Times New Roman"'>由門內側指向門外側)；角部窗框工況加載窗框表面法線方向250N(由門內側指向門外側)。
評價指標：加載點在法線方向的變形。
4. 車門自由模態分析
自由模態分析仍采用車門結構靜剛度分析所用的有限元模型，解除全部約束和載荷，建立新的模態計算載荷(計算車門自由狀態下1Hz-100Hz區間內的模態)。計算結果如下：
5. 車門抗凹性能分析
若車輛外板件抗凹性不好，按壓時會發生過大位移甚至凹坑，給顧客留下不好的印象。因此，車輛外板件的抗凹性能也是評價性能之一。對于前側門而言，由于外板厚度為0.8mm，且表面光滑無特征，因此需要評價其抗凹形能。
車門抗凹性能的模擬方法如圖13所示：固定門邊，建立一個直徑為40mm的剛性小球，并給小球在門外板表面法線方向的10mm強制位移實現“按壓過程”，以小球和外板之間的接觸力為評價指標。
圖15是本次抗凹分析的結果。P1_0.8mm表示外板為0.8mm時P1點的抗凹性能曲線，P1_0.7mm表示外板為0.7mm時P1點的抗凹性能曲線，其余類似。曲線在合格線上表示合格，在良好線上表示良好。從圖中可以看出，外板為0.8mm時，P3點曲線基本處于良好線之上，此點抗凹形能良好。P1和P2點曲線部分處于合格線之下，即初始階段不能滿足要求。當外板為0.7mm時，3個點的抗凹性能均下降較多，且P2點嚴重不滿足要求。由此可見外板厚度應為0.8毫米。
圖15 抗凹結果
本文用有限元方法借助HyperMesh和RADIOSS模擬分析了某乘用車左前門的性能，包括剛度性能、模態性能和抗凹性性能，結果表明車門的剛度和模態性能滿足公司標準，外板采用0.8毫米時車門的抗凹性能也基本滿足要求。該車門的樣車順利通過了車門的疲勞試，驗證明了仿真結果的可靠性。
7.參考文獻
[1] 郝琪，張繼偉．基于數值模擬的轎車車門靜態性能綜合評價及模態分析.機械設計與制造，2008，11.
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[3] Junbo Jia,Anders Ulfvarson A parametric study for the structural behaviour of a lightweight deck.Engineering Structures,2004,26:963-977
[4] J.K.Shin, K.H.Lee, S.I.Song, et al. Automotive Door Design with the ULSAB Concept using Structural Optimization. Struct Multidisc Optim, 23: 320-327
[5] 胡朝暉，成艾國，王國春，鐘志華.多學科優化設計在拼焊板車門輕量化中的應用.中國機械工程，2010，21(4)：495-499
[6] 德安，趙建才．轎車車門剛度有限元分析及結構優化．汽車工程，2001，23(6)：47-51
浙公網安備: 33028102000314號