某車型前車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

徐昊地

[摘 要]隨著天津一汽駿派D60城市SUV的發(fā)布，天津一汽另一款三廂車正在研發(fā)。此三廂車前車門的部分研發(fā)過(guò)程即為本文的內(nèi)容。利用CAE（計(jì)算機(jī)輔助分析）手段可以在前期設(shè)計(jì)階段就給出性能合格的產(chǎn)品，并節(jié)省大量試制、實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和金錢，并縮短研發(fā)周期。采用有限元分析在車門設(shè)計(jì)前期計(jì)算出車門各項(xiàng)剛度和強(qiáng)度指標(biāo)，并優(yōu)化車門不合格的指標(biāo)，在試制實(shí)驗(yàn)之前，提供最終版車門模型。

[關(guān)鍵詞]車門，剛度，強(qiáng)度優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.834 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0257-02

1 引言

CAE在車身設(shè)計(jì)中與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系有兩種：1、在有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證有限元模型準(zhǔn)確性，在正確的有限元模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真優(yōu)化，并用優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際部件的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)約試驗(yàn)成本、縮短研發(fā)周期的目的。2、轎車研發(fā)初期并沒(méi)有確定能用的Catia模型數(shù)據(jù)，也并沒(méi)有試制計(jì)劃，這時(shí)就需要用電腦仿真出一個(gè)滿足邊界條件初始模型，在此模型基礎(chǔ)上根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)施加邊界條件、載荷，計(jì)算位移和應(yīng)力等評(píng)估指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的部件。從而作為試制試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。后者前期設(shè)計(jì)完全脫離實(shí)體部件，其設(shè)計(jì)過(guò)程完全靠電腦完成，是現(xiàn)代化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。本文是第二種方法，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出可以供試制試驗(yàn)的前車門鈑金數(shù)據(jù)。

2 正文

有限元模型建模：

在車身發(fā)布V1版Catia數(shù)據(jù)后，采用HyperMesh中shell單元建模。如圖1所示：

有限元模型建成后，按公司內(nèi)部《車門結(jié)構(gòu)工況定義規(guī)范》添加邊界條件。包括：車門模態(tài)，扭轉(zhuǎn)剛度，側(cè)向剛度，自重下垂，腰線剛度，本體鉸鏈安裝點(diǎn)剛度，內(nèi)飾安裝孔剛度等指標(biāo)。最終匯總出前車門結(jié)算結(jié)果表，發(fā)現(xiàn)前車門窗框側(cè)向剛度里的Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度、前車門內(nèi)飾安裝孔剛度里的內(nèi)飾安裝點(diǎn)3-6號(hào)四個(gè)安裝點(diǎn)剛度、后視鏡剛度里的X向剛度不合格。

綜合分析：

剛度分析1：車門的第一階非剛體模態(tài)模態(tài)為窗框模態(tài)，數(shù)值為39.5Hz，振型圖為圖二所示，振動(dòng)方向?yàn)閳D示箭頭方向。而Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度的變形趨勢(shì)與其相似。

通過(guò)變形與力傳遞分析和后視鏡X向剛度分析，推測(cè)出第一階窗框模態(tài)、Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度、后視鏡X向剛度三個(gè)指標(biāo)不合格有相同的原因：連接窗框的兩側(cè)（可理解成支座）剛度較弱，尤其是后視鏡安裝側(cè)的連接。

詳細(xì)分析與改進(jìn)建議：（1）、后視鏡安裝板與其他部分連接較少。導(dǎo)致前車門車窗前部剛度較低。從而使車門框側(cè)向剛度（Hinge）和后視鏡X向剛度過(guò)低。此處承受繞Z軸扭矩能力較弱。建議：加強(qiáng)此處連接。

（2）、車門內(nèi)加強(qiáng)版延伸程度不夠，導(dǎo)致局部剛度過(guò)于薄弱。建議：延長(zhǎng)此加強(qiáng)板。

剛度分析2：不合格的工況還剩前車門內(nèi)飾安裝孔剛度中的內(nèi)飾點(diǎn)3-6四個(gè)點(diǎn)的安裝點(diǎn)剛度。內(nèi)飾安裝孔的加載條件為在車門左右側(cè)車門包邊各約束上中下三個(gè)區(qū)域（模擬臺(tái)架試驗(yàn)的氣動(dòng)夾具），并在每個(gè)內(nèi)飾孔上垂直于安裝點(diǎn)加力，算出在此力作用下內(nèi)飾點(diǎn)的垂向位移。如圖3：黃色三角形為約束位置，白色箭頭從右到左分別是在安裝點(diǎn)3-6上施加的力。

根據(jù)位移圖分析（圖4）：可知安裝點(diǎn)處位移較大的原因是這三個(gè)安裝點(diǎn)附近鈑金筋比較少或者是附近有大缺孔，導(dǎo)致垂向剛度較低。因此提出以下建議。

增強(qiáng)此處局部剛度（通過(guò)局部加筋或者移動(dòng)內(nèi)飾安裝孔-使其更靠近邊緣）。加筋后，車門內(nèi)板局部模態(tài)也會(huì)相應(yīng)提升。

新版模型分析：

上述改進(jìn)建議匯總，在此基礎(chǔ)上與車身設(shè)計(jì)部門溝通合作，綜合考慮車門內(nèi)部功能件安裝方便、沖壓模局方面要求，安裝點(diǎn)、安裝空間等布置，并借鑒了其他車型在此結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)處的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化出了V2版數(shù)據(jù)模型，并進(jìn)行建模計(jì)算。V1、V2版結(jié)果剛度對(duì)比：V1版本合格的工況V2版本同樣合格，V1版不合格的工況在V2版全部合格，如表1所示：

圖5所示為V1和V2版結(jié)構(gòu)差異對(duì)比。

從圖5中看出V1和V2之間的結(jié)構(gòu)差異主要在兩部分：1、圖中紅圈內(nèi)后視鏡安裝板的結(jié)構(gòu)形狀以及此安裝板與窗框和車門內(nèi)、外板的搭接形式。此處結(jié)構(gòu)完全變更。2、圖中下方內(nèi)飾安裝孔位置有所變化。

變化1如下圖6所示：

V1窗框采用兩段式設(shè)置，兩端之間有焊縫；V2版本的加強(qiáng)板面積更大，連接的件更多，圖示紅圈處為V2后視鏡加強(qiáng)板與門框內(nèi)板加強(qiáng)板、門框內(nèi)板都有焊點(diǎn)連接，玻璃導(dǎo)軌也增加了加強(qiáng)板并與車門內(nèi)板焊接。而V1版本后視鏡加強(qiáng)版較小，且僅與車門內(nèi)板有3處焊接。連接強(qiáng)度不高。圖示改動(dòng)增加了窗框模態(tài)、Hinge側(cè)窗框側(cè)側(cè)向剛度與后視鏡X向加載剛度三項(xiàng)指標(biāo)。與優(yōu)化前建議一致。

變化2如下圖7所示：

內(nèi)飾點(diǎn)安裝孔離車門內(nèi)板邊緣更近，相當(dāng)于懸臂梁施力點(diǎn)離固定端距離更近，因此剛度更大。這樣改還會(huì)使強(qiáng)度即米塞斯應(yīng)力降低。V2改版思路與優(yōu)化前建議一致。通過(guò)上述兩處改動(dòng)，前車門線性剛度指標(biāo)已經(jīng)全部合格?？梢园l(fā)送至下一階段分析。

3 總結(jié)

本文運(yùn)用有限元分析軟件Hyperworks在車門設(shè)計(jì)前期，計(jì)算車門的各項(xiàng)力學(xué)性能，從中篩選出不合格的工況，進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)成各項(xiàng)目標(biāo)，從而在車門設(shè)計(jì)前期就保證產(chǎn)品的性能。從而為后續(xù)試驗(yàn)，試制節(jié)省大量時(shí)間。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出力學(xué)性能合格并兼顧減重的車門。為后續(xù)車門的設(shè)計(jì)提供借鑒，有效節(jié)省了設(shè)計(jì)變更的時(shí)間成本。

參考資料

[1] Altair.Hyperworks12.0 User`s Guide

[2] 企業(yè)規(guī)范《開閉件-車門結(jié)構(gòu)工況定義規(guī)范》