某乘用車車門表面剛性分析及優(yōu)化

摘 要：使用HyperWorks軟件建立了某乘用車車門有限元模型，對車門外板進(jìn)行靜態(tài)分析、屈曲分析和約束模態(tài)分析，確定出車門表面剛性分析中的加載點(diǎn)位置。對車門進(jìn)行表面剛性分析，得出該車門存在表面剛性不足的問題，通過對車門表面剛性薄弱的地方進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，提高了車門表面剛性性能。

關(guān)鍵詞：表面剛性；車門；隱式算法；有限元

1 概述

車門外板尺寸大、帶曲率、有一定預(yù)變形，在使用過程中常常受到外載荷的作用，例如人為的觸摸按壓、靜載荷以及行進(jìn)過程中的振動以及掉落的樹枝，碎石沖擊載荷等。這些載荷往往使車門外板發(fā)生凹陷撓曲甚至產(chǎn)生局部永久凹痕。表面剛性是評價和反映車門表面質(zhì)量和使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)和特性，對車門進(jìn)行表面剛性分析可預(yù)測車門外板薄弱區(qū)域，為車門設(shè)計(jì)和選材提供參考[1]。對車門表面剛性的評價，早期是基于試驗(yàn)完成的，隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，通過數(shù)值模擬板材在靜、動態(tài)凹陷情況下的抗凹性能，對預(yù)測和評價板材的表面剛性具有指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)過程中，車門表面剛性是以定載荷作用下產(chǎn)生的局部位移作為評價依據(jù)，若局部位移小于檢驗(yàn)位移水平，則車門的表面剛性性能合格[2]。文章基于某乘用車車門有限元模型，利用ABAQUS/Standard 隱式算法對其進(jìn)行表面剛性分析，為車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材以及實(shí)現(xiàn)車門輕量化提供了數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

2 有限元模型的建立

在分析車門的表面剛性時，主要考慮車門外板受力變形情況，可以去除一些無關(guān)緊要的車門附件，去除附件后的車門主要由車門內(nèi)外板及其加強(qiáng)件、玻璃導(dǎo)槽、防撞梁及其安裝支架、門鎖加強(qiáng)件、鉸鏈及其加強(qiáng)件等組成。車門主要采用四邊形殼單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，目標(biāo)單元尺寸8mm×8mm，殼單元總數(shù)76335個，三角形單元占比4.2%，符合單元質(zhì)量建模要求。在結(jié)構(gòu)簡化方面：車門外板和內(nèi)板的連接采用包邊的方式處理；車門鉸鏈采用殼單元建模，用梁單元模擬鉸鏈軸并釋放其旋轉(zhuǎn)方向的自由度；焊點(diǎn)采用RBE3-實(shí)體單元-RBE3單元；膠粘采用RBE2-實(shí)體單元-RBE3單元。建立完成的車門有限元模型如圖1所示。

車門表面剛性分析需要進(jìn)行抗凹性試驗(yàn)，文章通過在抗凹加載點(diǎn)處加載剛性壓頭來模擬這一試驗(yàn)。剛性壓頭采用直徑12mm的圓柱形剛性面模擬，模型建模全部采用四邊形殼單元，目標(biāo)單元尺寸10*10mm。

3 車門表面剛性分析

3.1 加載點(diǎn)位置的確定

在表面剛性分析中加載點(diǎn)位置的確定主要通過以下三種方法：

方法一：對后門外板施加單位載荷的面壓，靜態(tài)分析找出外板位移最大點(diǎn)作為加載點(diǎn)，并命名其為加載點(diǎn)1。方法二：對后門外板施加單位載荷的面壓，屈曲分析找出外板可能發(fā)生屈曲的位置，并命名其為加載點(diǎn)2。方法三：對后門進(jìn)行約束模態(tài)分析，找出外板剛度薄弱的地方作為加載點(diǎn)，由分析結(jié)果結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定了兩個加載點(diǎn)，并分別命名為加載點(diǎn)3和加載點(diǎn)4。

3.2 根據(jù)確定的加載點(diǎn)分別進(jìn)行表面剛性分析

3.2.1 分析邊界條件

固定車門，約束車門鉸鏈和門鎖的所有自由度，壓頭在局部坐標(biāo)系下釋放Z向自由度（垂直面板方向）。對壓頭中心先施加40N載荷，后施加100N載荷查看變形情況[3]。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

在HyperWorks中將建立好的車門表面剛性分析有限元模型導(dǎo)出為inp格式文件，通過ABAQUS/Standard求解器計(jì)算出各加載點(diǎn)分別在40N和100N載荷下各自的最大變形量，如表1所示。根據(jù)公司要求，加載點(diǎn)處在40N載荷下的最大變形量不超過1mm，100N載荷下不超過3.5mm。通過表1可以看出加載點(diǎn)1處在100N載荷下變形量超標(biāo)，加載點(diǎn)1處表面剛性不足，因此需要對該處進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化分析。

3.3 優(yōu)化分析

文章針對車門外板表面剛性不足，在加載點(diǎn)1處粘貼100*120mm補(bǔ)強(qiáng)膠片進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。由于只有加載點(diǎn)1處在100N載荷下變形量超標(biāo)，因此接下來的優(yōu)化分析計(jì)算只針對該種情況，計(jì)算得到優(yōu)化后加載點(diǎn)1處的最大變形量為2.239mm，位移云圖如圖2所示，變形量符合公司要求，車門表面剛性合格。

4 結(jié)束語

基于有限元方法對車門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，找出了車門外板的薄弱區(qū)域并對這些區(qū)域進(jìn)行表面剛性分析，發(fā)現(xiàn)該車門存在表面剛性不足的問題。采取粘貼補(bǔ)強(qiáng)膠片的方法對車門表面剛性薄弱區(qū)域進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，最終車門表面剛性滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]Lu Fang， Wang Deng-feng. Structure optimization of door-beam base on strength of side doors[C]//Trans-portation， Mechanical and Electrical Engineering （TMEE）.USA：[s.n.].2011：766-769.

[2]Shi M. Michel P， Bucklin P. Static and dynamic dent re-sistance performance of automotive steel body panels [Z].SAE Technical Paper，1997，1：58.

[3]李東升，周賢賓，呂曉東.汽車板抗凹性評價體系及試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，29（5）：467-470.

作者簡介：蔡永賓（1990-），男，漢族，河南省駐馬店市，學(xué)生，碩士，重慶交通大學(xué)，研究方向：現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)方法與理論。