基于有限元法的轎車車門預(yù)變形仿真分析

崔新濤 張兵

（天津一汽夏利汽車股份有限公司）

在車身設(shè)計(jì)時(shí)，車身總成三維數(shù)模中的車門，表征的是車門關(guān)閉并且受密封膠條壓縮反力變形后的狀態(tài)，而在實(shí)際制造車門分總成時(shí)，需要按照變形前車門的數(shù)模進(jìn)行沖壓和裝焊。車門預(yù)變形分析的幾何精度直接影響車門的密封、外觀尺寸面差及車門關(guān)閉力等多個(gè)性能[1]。目前車門預(yù)變形分析大多是依靠經(jīng)驗(yàn)方法，先給車門窗框處變形量設(shè)定一個(gè)固定的經(jīng)驗(yàn)值，然后樣條插值得到整個(gè)車門的預(yù)變形，該方法無法考慮車門實(shí)際的剛度分布以及密封膠條壓縮力的大小，不能得到車門各個(gè)位置準(zhǔn)確的預(yù)變形量。文章提出了基于有限元方法的轎車車門預(yù)變形仿真分析方法，利用沿著密封膠條發(fā)泡中心線離散分布的彈簧單元模擬密封膠條的剛度，使用彈簧單元約束端施加強(qiáng)迫位移的方法模擬密封膠條壓縮力，用有限元方法計(jì)算得到整個(gè)車門的位移分布。以某轎車前車門為例，分析了密封膠條剛度、數(shù)量及車門剛度對車門預(yù)變形的影響。

1 車門預(yù)變形仿真分析方法

轎車車門預(yù)變形分析是指在車門關(guān)閉狀態(tài)下的設(shè)計(jì)三維數(shù)?；A(chǔ)上，考慮密封膠條反力使車門發(fā)生變形的影響，反推得到車門總成在變形前的制造三維數(shù)模的過程[2]。圖1示出某轎車前車門分總成及密封膠條示意圖，其中坐標(biāo)系為整車坐標(biāo)系，即x向?yàn)檎嚽昂蠓较颍瑈向?yàn)檎囎笥曳较?，z向?yàn)檎嚿舷路较?。該車門有主密封膠條和副密封膠條2圈。當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)，密封膠條的發(fā)泡被壓縮并與鈑金緊密貼合，從而起到密封的作用，而車門會受到密封膠條作用的壓縮反力發(fā)生變形。

用單自由度零長度的彈簧單元模擬密封膠條。先抽取密封膠條發(fā)泡的中心線，然后沿中心線離散分布n個(gè)彈簧單元。每個(gè)彈簧單元有2個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)與車門連接，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)施加y向平動約束。利用CAE前處理軟件HyperMesh，可以方便快捷地建立彈簧單元。

模擬密封膠條的彈簧單元剛度可由式（1）計(jì)算：

式中：K0——彈簧單元剛度，N/mm；

L——密封膠條總長度，mm；

K——密封膠條每100 mm的剛度，N/mm；

n——彈簧單元的數(shù)量。

車門關(guān)閉時(shí)，密封膠條的發(fā)泡主要受y向壓力并發(fā)生壓縮，因此在彈簧單元的約束端節(jié)點(diǎn)上施加y向強(qiáng)迫位移模擬密封膠條壓縮力，強(qiáng)迫位移數(shù)值為發(fā)泡的壓縮量。

建立前車門預(yù)變形仿真分析的有限元模型，如圖2所示。使用長度為5 mm的殼單元對車門鈑金件進(jìn)行離散，使用CWELD單元模擬點(diǎn)焊，RBE3和體單元模擬車門減振膠。模型包括車門鈑金、車門鉸鏈及密封膠條。在車門鉸鏈與車身A柱連接部位約束所有平動與轉(zhuǎn)動自由度，在車門鎖處約束3個(gè)平動自由度，在模擬密封膠條的彈簧單元約束端施加y向強(qiáng)迫位移，利用有限元計(jì)算得到車門的預(yù)變形量。

2 仿真結(jié)果與分析

不同車型的車門在設(shè)計(jì)時(shí)，其密封膠條的剛度、數(shù)量及車門的剛度3個(gè)因素各不相同，文章以某轎車前車門為例，對比分析上述因素對車門預(yù)變形量的影響。

2.1 密封膠條剛度的影響

密封膠條的剛度由密封條的材料、截面形狀及壓縮量等因素共同決定，密封膠條的剛度一般在設(shè)計(jì)初期按照一定的范圍定義。假定只有主密封條，此車門密封膠條的發(fā)泡壓縮量為4.9 mm。主密封膠條總長度為3 459 mm，彈簧單元間隔為20 mm，使用173個(gè)彈簧單元模擬密封膠條。分別計(jì)算每100 mm密封膠條剛度為2.25，3.50 N/mm時(shí)的車門預(yù)變形。根據(jù)式（1）計(jì)算得到2種密封膠條剛度時(shí)的彈簧單元剛度分別為0.450，0.700 N/mm。利用圖2建立的車門有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到車門的預(yù)變形分布，如圖3所示。

從圖3可以看出，該前車門最大預(yù)變形量位于窗框中部，窗框以下結(jié)構(gòu)的變形量很??；主密封膠條剛度為2.25，3.50 N/mm時(shí)的車門預(yù)變形分布模式雖然相同，但兩者最大預(yù)變形量不同，分別為1.67，2.50 mm，并且車門各部位的預(yù)變形量也不同。

2.2 密封膠條數(shù)量的影響

一般的，A級以上級別的轎車車門使用主副兩道密封膠條，而低端轎車受成本壓力僅使用一道主密封膠條。

在2.1節(jié)主密封膠條計(jì)算的基礎(chǔ)上，增加1道副密封膠條，其位置如圖1所示。假定主副密封膠條剛度為2.25N/mm，副密封膠條總長度為3663mm，使用185個(gè)彈簧單元離散，則根據(jù)式（1）計(jì)算得到每個(gè)彈簧單元的剛度為0.446N/mm。計(jì)算得到車門預(yù)變形分布，如圖4所示。

對比圖3和圖4可知，增加副密封條后，對車門整體的預(yù)變形量影響較大，最大預(yù)變形量從1.67 mm增加為2.87 mm，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)往往需要增加車門剛度。

2.3 車門剛度的影響

車門及窗框的結(jié)構(gòu)形式對車門剛度影響較大，為研究車門剛度對預(yù)變形量的影響，采用改變窗框鈑金厚度的方法改變車門的剛度。該前門窗框鈑金的厚度為0.8 mm，在2.2節(jié)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，將窗框板件厚度增加至1.0mm，計(jì)算得到的車門預(yù)變形分布，如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，車門剛度增加后，車門最大預(yù)變形量從2.87 mm減小為2.58 mm，表明車門預(yù)變形量隨車門剛度的增加而減小。

3 結(jié)論

1）不同的轎車車門由于密封膠條剛度、數(shù)量及車門剛度不同，車門的預(yù)變形量不同，在車門窗框處設(shè)定固定的變形量的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法是不準(zhǔn)確的；

2）相對于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法，基于有限元仿真的預(yù)變形分析方法，能得到車門各個(gè)部位的預(yù)變形分布及較準(zhǔn)確的預(yù)變形量，從而提高車門變形前制造數(shù)模的幾何精度。