汽車車門過開強(qiáng)度分析與試驗(yàn)研究

孫劍等

摘要：以某車型為例，對(duì)該車門進(jìn)行過開強(qiáng)度分析及試驗(yàn)。運(yùn)用Hypermesh軟件建立車門有限元模型，并對(duì)車門過開工況進(jìn)行仿真分析得出車門位移數(shù)據(jù)和附件受力情況；提出車門過開試驗(yàn)方案，完成車門過開性能測(cè)試，得出試驗(yàn)推論；對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：車門；強(qiáng)度分析；過開角度；有限元分析；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）01-0065-06

車門是車身上的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的總成，其性能狀況對(duì)于汽車的安全性和舒適性都有重要影響。車門性能分析主要包括過開、下沉、全力關(guān)門、開閉耐久等。其中過開工況主要考察車門過開角度及受力狀況，評(píng)價(jià)車門過開狀態(tài)下性能，包括最大開啟角度與變形等。過開性能反映車門及鉸鏈系統(tǒng)和限位器抵抗超負(fù)荷開門力作用的能力。過開相當(dāng)于在車門全開狀態(tài)下，在車門打開方向施加載荷。車門過開工況屬于模擬車門使用者誤操作，車門過開下，會(huì)在車門、鉸鏈系統(tǒng)、限位器、車身側(cè)圍外板產(chǎn)生很大應(yīng)力，如果車門過開頻繁發(fā)生，可能會(huì)引起車門系統(tǒng)過早老化和金屬損傷，造成車門性能變差，甚至無法關(guān)閉車門，嚴(yán)重影響車門開合便利性。

CAE技術(shù)可以分析車門相關(guān)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，而通過驗(yàn)證后的CAE模型可以進(jìn)一步針對(duì)具體性能提出有效的解決方案。目前行業(yè)關(guān)于車門過開工況法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方案研究較少，為了分析并改善車門多項(xiàng)性能，以某車型前門作為研究對(duì)象，搭建CAE仿真模型，模擬車門過開過程，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，建立試驗(yàn)系統(tǒng)，探討確定過開角度的試驗(yàn)方法，完成車門過開試驗(yàn)。通過分析與驗(yàn)證確定了該車門及鉸鏈系統(tǒng)、限位器系統(tǒng)抵抗過開的能力，確保車門性能達(dá)到目標(biāo)值。

本文不僅對(duì)車門整體進(jìn)行了有限元分析，并且進(jìn)一步研究了車門過開工況中的車門附件受力情況，詳細(xì)完整的分析了車門過開性能。在進(jìn)行過開仿真分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易行的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了相應(yīng)推論。為車門過開性能開發(fā)驗(yàn)證提供了借鑒。

1車門過開強(qiáng)度有限元分析

1.1車門有限元模型

根據(jù)車門CAD數(shù)模建立有限元模型（圖1），車門主要由不同厚度的薄板件構(gòu)成，通常采用殼單元對(duì)其進(jìn)行離散化。網(wǎng)格大小選擇8mm，忽略尺寸較小的工藝孔，重要區(qū)域適當(dāng)加密，焊點(diǎn)采用ACM焊接模擬，螺栓采用梁?jiǎn)卧crigid單元模擬，焊縫采用剛性連接。限位器有限元模型處于車門開啟到最大角度位置。模型搭建完成后節(jié)點(diǎn)總數(shù)287385個(gè)，單元總數(shù)235662個(gè)，三角形單元總數(shù)10133個(gè)，三角形單元總數(shù)占單元總數(shù)的4.3%（<10%）利用Hyperworks中Optistruct求解器靜力學(xué)分析功能對(duì)該車門進(jìn)行過開分析。

1.2邊界條件

約束車身截面全部自由度，將車門旋轉(zhuǎn)至最大開啟角65.4度，移除對(duì)限位器和轉(zhuǎn)軸繞其軸線的旋轉(zhuǎn)約束以及車門鎖點(diǎn)y向自由度，鉸鏈連接處移除車門旋轉(zhuǎn)約束。在車門過開工況過程中，車門自重是不可忽視的因素，使用CONM 2集中質(zhì)量單元加載22kg。由于車門已經(jīng)到達(dá)最大開啟位置，鉸鏈與車身外板、限位器壓塊上下端與車門外板已經(jīng)接觸，仿真中采用固聯(lián)，限位器與車身連接部分采用螺栓連接。在鎖點(diǎn)位置沿車門開啟方向施加500N載荷，強(qiáng)迫車門繼續(xù)開啟。

1.3分析結(jié)果

1.3.1過開性能評(píng)估

通過Hyperworks中的Hyperview后處理模塊得到車門在過開加載情況下的位移云圖（圖3），在車門模型上通過Distance工具選擇四個(gè)測(cè)點(diǎn)，獲得四個(gè)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，從而計(jì)算車門過開角度，評(píng)估車門過開性能（數(shù)據(jù)比較見表3）。

在過開工況中，除車門受力變形外，所施加載荷會(huì)在限位器與鉸鏈處產(chǎn)生較大應(yīng)力，若應(yīng)力值超標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生永久變形，對(duì)車門開啟與正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。以下對(duì)車門過開中車門主要附件進(jìn)行分析說明。

1.3.2車門受力評(píng)估

在過開工況中，鉸鏈承受較大載荷，鉸鏈與車門連接處會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，同時(shí)限位器支架通過螺栓固定在門外板，所以車門在過開工況中主要的受力位置在鉸鏈安裝孔與限位器安裝位置附近，加載時(shí)所受應(yīng)力如圖4所示。車門所受最大應(yīng)力位于鉸鏈安裝孔附近，其應(yīng)力值為150MPa，小于零件材料許用應(yīng)力。

1.3.3限位器受力評(píng)估

車門限位器具有門半開時(shí)的支承功能和全開時(shí)的限位功能，其作用是限制車門的開啟角度，減緩車門的開啟及關(guān)閉速度，提高開關(guān)門手感。因此限位器是車門過開工況中重要承力件。限位器支架通過安裝螺栓緊固在車身上，限位盒通過兩個(gè)安裝螺釘緊固在車門內(nèi)板上，當(dāng)開門的時(shí)候，限位盒便會(huì)沿著限位臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

以車門開啟到最大時(shí)為分析位置，此時(shí)限位拉桿處于最大行程。限位器拉桿應(yīng)力云圖如圖5所示，限位器最大應(yīng)力位于限位拉桿上，最大應(yīng)力為193.4 MPa，小于零件材料許用應(yīng)力，其他位置所受應(yīng)力均滿足要求，無破壞風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.4鉸鏈?zhǔn)芰η闆r評(píng)估

車門鉸鏈?zhǔn)擒囬T總成中的主要受力件，當(dāng)車門打開時(shí)，車門的重力完全由鉸鏈承受，在過開工況中，鉸鏈不僅需要承受車門重力，而且需要與限位器一同限制車門開度。隨著載荷等級(jí)增加，鉸鏈通過與車身連接端的接觸限制車門開度，所以鉸鏈在車門過開工況中應(yīng)力水平也會(huì)影響車門過開性能。

鉸鏈應(yīng)力云圖如圖6所示，鉸鏈最大應(yīng)力位于連接處根部，最大應(yīng)力為142.5 MPa，小于零件材料許用應(yīng)力，無破壞風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.5側(cè)圍外板最大位移

限位器支座通過螺栓固定在車身側(cè)圍，過開工況下，車身側(cè)圍承受較大載荷，所以車身側(cè)圍外板設(shè)計(jì)中需要保證車身有足夠剛度。側(cè)圍外板位移云圖如圖7所示。側(cè)圍外板最大位移位于與限位臂安裝孔附近，其位移值為1.215mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2車門過開試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

將車門安裝在車身上，車身放置在平坦地面并加以固定，沿鎖位處加載。由于角度難以測(cè)量，通過測(cè)試各測(cè)點(diǎn)位移，再經(jīng)過換算得出車門過開角度。車門測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示：

為了得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在車門鎖點(diǎn)與車門鉸鏈軸線之間布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)，一測(cè)點(diǎn)選擇在加載點(diǎn)位置，其余三測(cè)點(diǎn)沿外板布置。另外，加載點(diǎn)位置設(shè)置標(biāo)尺，量測(cè)標(biāo)尺移動(dòng)位置，作為車門開啟角度參考。采用剪式千斤頂加載裝置，前端放置力傳感器。千斤頂一端頂住車門，另一端抵住反力裝置，依靠千斤頂加載裝置緩慢旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)加載力的控制。

2.2試驗(yàn)過程描述

（1）將車門開啟至最大開啟角65.4°，用加載裝置一端頂住車鎖位置，另一端連接力傳感器，調(diào)整好車門與測(cè)試系統(tǒng)，力與位移初值顯示為0。

（2）緩慢逐級(jí)加載，加載級(jí)別為10kg，按設(shè)計(jì)要求最大載荷級(jí)別為51kg（500N），然后再逐級(jí)卸載至0，通過位移測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，得出在各級(jí)加卸載狀態(tài)下車門各測(cè)點(diǎn)變形。

（3）試驗(yàn)重復(fù)3次并核實(shí)數(shù)據(jù)重復(fù)性，取3次數(shù)據(jù)平均作為處理依據(jù)。通過測(cè)點(diǎn)位移，計(jì)算車門過開角度。其基本計(jì)算原理見圖9；各測(cè)點(diǎn)到鉸鏈軸線距離見表1。

根據(jù)四個(gè)測(cè)點(diǎn)位移推算過開角，過開角計(jì)算按下式進(jìn)行：

2.3過開強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

由各測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)計(jì)算出四個(gè)測(cè)點(diǎn)過開角度與殘余值（表2），反映4個(gè)測(cè)點(diǎn)在5個(gè)載荷等級(jí)下的加載與卸載過開角度試驗(yàn)值，多測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)互相驗(yàn)證，說明車門總體過開情況，易于給出正確推斷。由表2可知除1號(hào)測(cè)點(diǎn)外其余測(cè)點(diǎn)過開角度數(shù)據(jù)重合性較好，這是由于1號(hào)測(cè)點(diǎn)接近鉸鏈軸線，位移變化值較小，對(duì)位置敏感。選取2，3，4號(hào)點(diǎn)過開角度作為依據(jù)，試驗(yàn)得出車門在500N載荷作用下，三號(hào)點(diǎn)過開角度最大，最大過開角為2.949°，鎖位處則為2.703°，最大殘余變形角度為0.349°，滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果表明該車門過開性能滿足要求。

車門各測(cè)點(diǎn)加卸載荷工況下過開角變化曲線如圖10 a、b、c所示，四個(gè)測(cè)點(diǎn)加載曲線在0～2°變形區(qū)間過開角度變化較大。以四號(hào)測(cè)點(diǎn)加載曲線為例，分段添加趨勢(shì)線得出曲線斜率，如圖11a、b所示，測(cè)點(diǎn)在0～2°變化區(qū)間趨勢(shì)線斜率為0.0074，在2°～3°變化區(qū)間趨勢(shì)線斜率為0.0031，可知在2°～3°過開角度變化率明顯低于0°～2°區(qū)間。通過試驗(yàn)觀察，這是由于在分級(jí)加載過程中，鉸鏈與車身接觸明顯滯后于限位器限位，0～2°變形區(qū)間主要由限位器進(jìn)行限位，在后續(xù)加載中2°～3°變形區(qū)間鉸鏈與限位器同時(shí)進(jìn)行限位，角度變化率小于0°～2°變形區(qū)間，具體過程見圖12。試驗(yàn)推論為當(dāng)車門過開時(shí)，鉸鏈限位會(huì)滯后1.5°～2°。

圖13a反映各測(cè)點(diǎn)不同加載等級(jí)下變形情況，即各測(cè)點(diǎn)所在車門平面整體變形情況。曲線表明各測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)一致，圖13b中線框圖為車門起始加載位置，為方便與試驗(yàn)結(jié)果比較，位移云圖為最大加載等級(jí)500N下位移結(jié)果放大十倍后的結(jié)果，可以看出仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)變形趨勢(shì)基本一致，同時(shí)在0～98N、98N～196N、196N～294N加載區(qū)間位移變化大于其余加載區(qū)間。

將仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示，對(duì)比數(shù)據(jù)表明，測(cè)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差基本在±5%之內(nèi)，說明了仿真模型的正確性。對(duì)照車門過開角度設(shè)計(jì)目標(biāo)值，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均說明該車門滿足相關(guān)性能要求，同時(shí)反映車門過開試驗(yàn)方案合理，能有效驗(yàn)證仿真分析結(jié)果。3號(hào)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值偏大的原因是由于車門在加載過程中鉸鏈固定端與加載端同時(shí)受力，車門外板會(huì)發(fā)生一定彎曲變形，導(dǎo)致位于車門間位置的三號(hào)測(cè)點(diǎn)位移值較大。

3結(jié)果分析

本文闡述了某款車型車門過開性能的仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試，在仿真過程中計(jì)算出最大過開角和車門附件的應(yīng)力狀況。建立了車門過開試驗(yàn)簡(jiǎn)易方案，得出了車門過開角以及殘余變形，驗(yàn)證了仿真的正確性。試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)表明，該車門符合過開設(shè)計(jì)性能標(biāo)準(zhǔn)。

1）通過有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證得出車門最大過開角，試驗(yàn)仿真相互驗(yàn)證，說明了有限元模型的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)方案的可行性。目前行業(yè)關(guān)于車門過開工況法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方案研究較少，本文參考企業(yè)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了完整的車門過開工況仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，為車門過開性能的開發(fā)驗(yàn)證提供了借鑒。

2）有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，該車門在500N載荷作用下，其過開角度和殘余變形、車身側(cè)圍外板位移，以及車門與限位器、鉸鏈最大應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，車門過開性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3）車門過開試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)出一定的非線性，這與仿真分析中的線性關(guān)系仍有不同，反映實(shí)際車門構(gòu)造關(guān)系的復(fù)雜性。

4）在試驗(yàn)過程中，鉸鏈接觸限位滯后于限位器接觸1，5°～2°，在鉸鏈與限位器同時(shí)作用時(shí)，位移變化明顯變慢。可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，減小鉸鏈接觸限位滯后角度，從而改善車門過開性能。