基于有限元分析的車門三維設(shè)計(jì)①

劉 坤， 鄭 培

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

車門是汽車車身上非常重要的部分，和車身之間又相互獨(dú)立.因此，在車門設(shè)計(jì)過程中，第一必須保證車門總布置設(shè)計(jì)與整車設(shè)計(jì)之間既要相互配合，又要互相協(xié)調(diào).第二車門必須保持必要的開度，使上、下車方便.第三車門必須具有足夠的剛度來保證車門的正常工作.在設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)和CATIA軟件輔助設(shè)計(jì)，能為其提供有利條件，更快更好地完成設(shè)計(jì).本文運(yùn)用了汽車專業(yè)的理論來解決車門設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題，以某單排皮卡車門為設(shè)計(jì)對象，利用CATIA軟件對車門進(jìn)行三維設(shè)計(jì)并對其進(jìn)行了有限元分析，得到剛度、強(qiáng)度分析結(jié)果.

1 車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車車門是由殼體、附件和內(nèi)飾蓋板組成.殼體按其結(jié)構(gòu)可分為整體式或框架式.車門殼體一般是由內(nèi)板和外板焊接制成，車門的內(nèi)、外板則是由厚度為0.65mm至1.0mm的鋼板直接沖壓而成.設(shè)計(jì)時(shí)，外板外型應(yīng)與整車協(xié)調(diào)[1].而車門內(nèi)板上要有各種形狀的孔洞、窩穴和加強(qiáng)筋，這樣有利于保證整車的性能要求及便于附件的安裝.附件安裝完成后，用內(nèi)飾板將其遮蓋.另外，由于車門外形尺寸和車身結(jié)構(gòu)形式在汽車概念設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)逐步成形，因此與之相對應(yīng)的車門總體布置設(shè)計(jì)(鉸鏈布置、門鎖布置、玻璃升降器的布置)也應(yīng)當(dāng)同步進(jìn)行，這是因?yàn)檐囬T設(shè)計(jì)和車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是相互照應(yīng)，互相協(xié)調(diào)的.車門的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 車門基本結(jié)構(gòu)組成

2 軟件介紹

CATIA軟件在其造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特的長處，為各種車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對端的解決方案[2].為用戶造型需求提供極豐富的造型工具是CATIA軟件曲面造型功能的良好體現(xiàn)，比如其特有的Bezier曲線曲面功能，次數(shù)能達(dá)到15，能滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求[3].

Hyper Works是美國澳汰爾(Altair)公司的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，其中Hyper Mesh是一個(gè)高性能有限單元前后處理器，它具有無比的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制，大大縮短工程設(shè)計(jì)分析的周期.

3 車門3D建模

CATIA的自由造型單元有創(chuàng)建曲線和曲面的功能，而且可以對創(chuàng)建的曲線和曲面進(jìn)行修正操作和外形分析，在汽車造型的正向設(shè)計(jì)過程中也是非常重要的單元[4].本文采用CATIA軟件對車門進(jìn)行模擬仿真，利用CATIA軟件的Part Design模塊和Generative Shape Design模塊建立車門三維模型.同時(shí)對設(shè)計(jì)元素進(jìn)行約束(同軸、共面、距離、角度等約束)，以防止彈性元件變形及銷軸連接對模型產(chǎn)生影響.利用Assembly Design模塊對所設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行三維裝配.最終得到車門三維設(shè)計(jì)模型，如圖2所示.另外，需注意的是由于車門外板加強(qiáng)板分布位置差異會導(dǎo)致車門的剛度變化[5].因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮.

圖2 車門三維模型

圖3 合格的網(wǎng)格圖

4 有限元模型建立與分析

為使車門達(dá)到技術(shù)參數(shù)指標(biāo)對其進(jìn)行了有限元分析，找到其最惡劣工況下剛度和強(qiáng)度最薄弱的地方.同時(shí)為了滿足車門的各項(xiàng)指標(biāo)要求，進(jìn)而提高車門的整體性能及剛度要求，必須對其薄弱點(diǎn)進(jìn)行修改設(shè)計(jì).

4.1 模型前處理

把車門幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件中.去掉小圓角(半徑＜5mm);小孔(直徑＜20mm);小凸臺、凹坑(高度＜5mm).創(chuàng)建模型的材料屬性(E=2.1e+5MPa，NU=0.3，RHO=7.8e－ 9)、單元屬性集合器(T=0.8).劃分的單元格大小設(shè)置element=4mm(約為門板厚度的5倍，車門外板厚度為0.8mm)，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，檢查修正單元.如果劃分三維網(wǎng)格中有紅色部分則必須進(jìn)行網(wǎng)格修正，網(wǎng)格顏色為無色為最佳，同時(shí)必須控制網(wǎng)格中三角形在5%以內(nèi)為佳，檢測合格的網(wǎng)格(以外板為例)，如圖3所示.

4.2 有限元分析模型的創(chuàng)建

創(chuàng)建焊點(diǎn)與螺栓連接，選擇主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn);更新載荷與約束，選擇門體前、后邊緣，底邊的全部節(jié)點(diǎn);創(chuàng)建模型分析工況，選擇相應(yīng)的力和約束;定義控制卡片，分別選擇SOL、PARAM進(jìn)行定義.

有限元建模結(jié)果:如圖4所示即建立的有限元模型.

圖4 車門有限元模型:(a)扭轉(zhuǎn)工況;(b)擠壓工況

4.3 車門剛度、強(qiáng)度分析

通過Hyper mesh軟件對模型進(jìn)行求解，分別得到*.op2文件和*.res文件之后，對模型加載后退出并保存，進(jìn)而完成求解，得到車門在扭轉(zhuǎn)、擠壓工況下的變形圖及分析結(jié)果如圖5所示.

圖5 車門位移變形圖:(a)扭轉(zhuǎn)工況;(b)擠壓工況

根據(jù)不同工況下的車門變形圖，得到以下分析結(jié)果列于表1:

表1 不同工況下車門位移量及技術(shù)要求

由表1可以看出，該車門符合國家標(biāo)準(zhǔn).

5 結(jié)論

利用CATIA軟件輔助進(jìn)行各部件的虛擬裝配，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)，很大程度上縮短整車研發(fā)周期，是一種高效、可靠的途徑在現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)中.準(zhǔn)確的車門有限元模型的建立是有限元分析方法在車門設(shè)計(jì)中應(yīng)用的關(guān)鍵之一，而有限元分析結(jié)果為驗(yàn)證車門是否符合要求和加強(qiáng)板的布置是否合理提供了參考.

[1]劉自俠.汽車車門設(shè)計(jì)的探討[J].天津汽車，2000(02):20－22.

[2]劉盼.燃料電池大客車車身結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，2009:45－46.

[3]陳國華.基于有限元的汽車車門靜態(tài)強(qiáng)度剛度計(jì)算與分析[J].機(jī)械制造與自化，2006(06):21－24.

[4]趙宇明，張國忠，于哲峰.逆向造型設(shè)計(jì)在汽車車門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)研究[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2005(06):47－49.

[5]Saguaro Yahata.Analysis of Stiffness of Truck Door Panel Effective Arrangement of Stiffeners for Improving Stiffness[J].SAE952678.