電動(dòng)乘用車車門的扭轉(zhuǎn)剛度分析

王彪　呂振偉　陳西山　王丹迎　牛小欽

摘要：建立車門的有限元模型，在兩種工況下對車門的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)45-分析。通過和以往車型的車門剛度的結(jié)果對比

分析，滿足設(shè)計(jì)要求，從而為車門的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：車門；扭轉(zhuǎn)剛度；HyperWorks

車門是整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的重要部件，車門剛度是車門設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。在車門設(shè)計(jì)時(shí)，如果車門的剛度不滿足設(shè)計(jì)要求，使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)車門變形量大，從而導(dǎo)致車門關(guān)閉不嚴(yán)、車門卡死、噪聲等現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到在行駛和碰撞的情況下將車門應(yīng)力和變形限制在一定范圍內(nèi)，要求車門具備足夠的強(qiáng)度和剛度。

車門的有限元分析是車身設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文基于工程軟件HyperWorks對某電動(dòng)乘用車車門的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了分析，了解車門的剛度特性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 HyperWorks簡介

在現(xiàn)代機(jī)械裝備研發(fā)過程中，有限元模型的規(guī)模越來越大、網(wǎng)格也越來越精細(xì)、模型管理越來越復(fù)雜，而激烈的市場競爭又要求研發(fā)周期不斷縮短、投放市場時(shí)間不斷提前，因此，傳統(tǒng)的有限元前后處理器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些新的需求。

HyperWorks是Altair公司推出的系列產(chǎn)品，為用戶提供了一整套CAE設(shè)計(jì)和分析多學(xué)科工程平臺(tái)。在汽車安全性分析中，使用HyperWorks的HyperMesh模塊對汽車的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理即CAE建模；RADIOSS求解器進(jìn)行求解HyperView進(jìn)行后處理即對仿真分析的結(jié)果分析和自動(dòng)生成報(bào)告。

HyperMesh是一個(gè)高質(zhì)量高效率的有限元前處理器，它提供了高度的交互的可視化環(huán)境幫助用戶建立產(chǎn)品的有限元模型。HyperMesh本身直接支持目前全球通用的各類主流的三維CAD平臺(tái)，用戶可以直接讀取模型文件而不需要任何其他數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，從而盡可能避免數(shù)據(jù)丟失或幾何缺陷。另外，HyperMesh具有強(qiáng)大的幾何清理功能，可以修補(bǔ)幾何模型中的錯(cuò)誤或缺失的面，從而提升建模效率。

2建立有限元模型

2.1車門的主要部件及選用的材料

車門主要承受載荷的部件有外板、內(nèi)板、內(nèi)板加強(qiáng)板、鉸鏈螺母板、車門導(dǎo)軌、車門前導(dǎo)軌支架和車門鉸鏈等。車門內(nèi)外板材料均采用DC04，車門鉸鏈采用SPHC，其它采用DC01。材料的彈性模量E=2.1×105MPa，密度為7800kg/m3，泊松比為0.3。

2.2模型簡化

在CATIA中建立車門的三維幾何模型，然后將其保存成STP格式導(dǎo)入到HYPERWORK中，進(jìn)行幾何清理。原則是：對不影響結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度的小零件或倒角等，可以忽略不考慮，因?yàn)檫@些會(huì)影響網(wǎng)格的質(zhì)量。車門都是由鈑金件組成的，因此采用殼單元?jiǎng)澐郑运倪呅螢橹?，可以有少量的三角形單元，并保證單元的質(zhì)量符合規(guī)定的要求。由于車門玻璃對其剛度影響不大，所以有限元模型中忽略掉車門玻璃。

對于一些工藝孔或內(nèi)飾安裝孔，如果孔小于5mm，可以忽略；對于大于5mm的孔，劃分網(wǎng)格時(shí)，需要做一個(gè)washer，保證孔處網(wǎng)格的質(zhì)量。

對于焊點(diǎn)，采用正六面體單元和RB3來模擬；螺栓使用RB2剛性單元模擬。考慮到殼單元對剛度的影響，車門的鉸鏈采用實(shí)體單元模擬，鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)連接處采用梁單元模擬，釋放梁單元繞自身的旋轉(zhuǎn)自由度。

3邊界條件

3.1約束

約束車身側(cè)鉸鏈的全部自由度；約束門鎖處Y方向、Z方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如下圖1所示。

3.2載荷

如圖1所示，在車門門鎖處施加以下兩個(gè)工況的載荷：

工況一：門鎖處施加繞X軸的扭矩+271000N·mm；

工況二：門鎖處施加繞X軸的扭矩-271000N·mm。

4計(jì)算結(jié)果分析

從圖2和圖3可以看出，兩種工況下，車門應(yīng)力最大位置在車門鎖處，由于此處建立了RB2剛性單元，導(dǎo)致其連接處的單元?jiǎng)傂约訌?qiáng)，出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處應(yīng)力值可以不作為參考。車門其他部位的應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力210Mpa，滿足要求。

如圖4所示，選取車門外板上四個(gè)觀測點(diǎn)，讀取兩個(gè)工況下觀測點(diǎn)的Y向位移，然后和目標(biāo)值進(jìn)行比較，如下表1所示。從分析結(jié)果可以看出：工況一的四個(gè)觀測點(diǎn)均滿足要求，工況二的1/2/3觀測點(diǎn)也滿足要求，而觀測點(diǎn)4的位移處于可以接受的范圍。

5結(jié)論

本本文使用HYPERWORK軟件建立了車門的有限元模型，然后在兩個(gè)工況下對其進(jìn)行剛度分析。根據(jù)計(jì)算出來的結(jié)果可以看出，工況一和工況二的均滿足設(shè)計(jì)要求，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。