某SUV車型后門側(cè)向窗框剛度分析及優(yōu)化

彭美青，孫念芬，鄧?yán)?/p>

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330052； 2.江西省汽車噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330052)

0 引言

汽車車門由門外板、門內(nèi)板、門窗框、門玻璃導(dǎo)槽、門鉸鏈、門鎖及門窗附件等組成，是汽車車身重要且相對(duì)獨(dú)立的部件，通過鉸鏈與車身連接來實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉[1]。

作為一個(gè)綜合性的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，車門和駕駛室一起形成乘員的生存空間，當(dāng)車門閉合時(shí)，應(yīng)具有良好的振動(dòng)特性、足夠的強(qiáng)度和剛度、耐沖擊性能以及側(cè)碰時(shí)的抗碰撞特性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)車門的方法，通常是在樣車階段對(duì)車門剛度進(jìn)行反復(fù)多次的試驗(yàn)，這樣會(huì)大大增加開發(fā)成本和周期。隨著有限元的發(fā)展，在汽車開發(fā)初期對(duì)車門進(jìn)行剛度仿真分析，對(duì)車門的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有效指導(dǎo)意見，提高開發(fā)效率[2]。本文作者以某SUV車型后門為例，在項(xiàng)目早期對(duì)車門進(jìn)行側(cè)向窗框剛度分析，并對(duì)不合格的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在項(xiàng)目中期車門樣件出來后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使車門達(dá)到目標(biāo)要求，從而降低開發(fā)成本、縮短車門開發(fā)周期。

1 車門剛度對(duì)車輛性能的影響

1.1 車門剛度

車門剛度是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力，用對(duì)車門施加載荷與車門承受該載荷后產(chǎn)生的變形之間的關(guān)系來表示車門剛度。

1.2 側(cè)向窗框剛度

汽車車門系統(tǒng)作為用戶經(jīng)常使用、接觸的部件，需具有足夠的剛度以滿足用戶對(duì)使用性能、外觀及噪聲的要求，且車門的品質(zhì)在一定程度上反映了造車水平。車門側(cè)向窗框作為衡量車門品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，若剛度不足，會(huì)導(dǎo)致變形，影響外觀間隙平度；而變形過大，則會(huì)影響密封條的密封性，造成噪聲加大和高速振響問題。

2 優(yōu)化前CAE側(cè)向窗框剛度分析

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

本文作者利用HyperMesh12.0建立與實(shí)車結(jié)構(gòu)一致的后門有限元模型，見圖1。該有限元模型包括后門鈑金件和門鉸鏈。

2.2 邊界條件及工況載荷步

以某SUV后門為例，在車門后角點(diǎn)進(jìn)行加載，如圖2所示。分析邊界條件：在整車坐標(biāo)系下，門鉸鏈處約束123456，門鎖處約束23。載荷步一：考慮自重(方向垂直于窗框密封面)；載荷步二：后角點(diǎn)施加垂直于窗框密封面的載荷180 N；載荷步三：持續(xù)加載到360 N；載荷步四：移除外載荷。

2.3 原方案側(cè)向剛度CAE分析結(jié)果

該分析項(xiàng)為非線性分析，采用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析[3]，利用HyperView后處理查看側(cè)向剛度的位移云圖，記錄加載點(diǎn)在各載荷步下的Y向位移值。圖3是各載荷下的Y向位移值。

圖2 約束和加載狀態(tài)

圖3 各載荷下的Y向位移(原方案)

分析結(jié)果如表1所示，載荷為180 N時(shí)的Y向變形為6.836 mm,不滿足CAE目標(biāo)值；移除外載荷的殘余變形為0.94 mm，滿足目標(biāo)值。

表1 分析結(jié)果和目標(biāo)值的對(duì)照(原方案) mm

3 優(yōu)化方案及相應(yīng)CAE分析

3.1 側(cè)向窗框剛度優(yōu)化

從分析結(jié)果可以看出：載荷為180 N時(shí)的剛度值不滿足要求，需要進(jìn)行優(yōu)化分析。如圖4所示，加載180 N的應(yīng)變?cè)茍D顯示，最大應(yīng)變主要集中在門鎖加強(qiáng)板處,說明該處結(jié)構(gòu)相對(duì)比較薄弱，對(duì)側(cè)向窗框剛度的影響較大。

針對(duì)以上描述，如要提高Y向剛度，需提高門鎖加強(qiáng)板在Y向的剛度，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前，門鎖加強(qiáng)板板厚1 mm，且與門內(nèi)板間的2層焊有5個(gè)焊點(diǎn)。優(yōu)化后，在門鎖加強(qiáng)板上單獨(dú)增加一塊鈑金，材料為B340/590DP，厚度為1 mm，與內(nèi)板的焊接采用3層焊，且焊接區(qū)域分布10個(gè)焊點(diǎn)，如圖5所示。

上述優(yōu)化方案相當(dāng)于增加了門鎖加強(qiáng)板的局部厚度，使其在Y向強(qiáng)度增加，能很好地提高側(cè)向窗框剛度，且在運(yùn)輸過程中窗框不易發(fā)生變形，保證了產(chǎn)品的可靠性[4]；與內(nèi)板的焊接區(qū)域，新增5個(gè)焊點(diǎn)，也有利于Y向剛度的提升，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。經(jīng)量產(chǎn)化工程師評(píng)估，該方案的工程化具有可行性。

圖4 優(yōu)化前應(yīng)變?cè)茍D

圖5 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)示意

3.2 側(cè)向窗框剛度優(yōu)化CAE驗(yàn)證分析

將優(yōu)化方案進(jìn)行網(wǎng)格更新，利用HyperMesh前處理進(jìn)行約束和加載，采用ABAQUS進(jìn)行非線性計(jì)算分析，在后處理軟件HyperView中查看側(cè)向剛度的位移云圖，記錄相應(yīng)載荷步下加載點(diǎn)的Y向位移值，如圖6所示。

圖6 各載荷下的Y向位移(優(yōu)化方案)

優(yōu)化后分析結(jié)果如表2所示，載荷為180 N時(shí)的Y向變形為5.452 mm，移除外載荷的殘余變形為0.708 mm，均滿足CAE目標(biāo)值。

表2 分析結(jié)果和目標(biāo)值的對(duì)照(優(yōu)化方案) mm

4 優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

基于優(yōu)化CAE分析結(jié)果，制作樣件3個(gè)，分別標(biāo)記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，利用工裝和夾具對(duì)后門進(jìn)行相應(yīng)的約束，采用重量塊進(jìn)行多次加載,測量位移的設(shè)備是千分表。圖7為某SUV后門側(cè)向窗框剛度試驗(yàn)現(xiàn)場。

圖7 某SUV后門側(cè)向窗框剛度試驗(yàn)現(xiàn)場

根據(jù)CAE的工況載荷步，載荷加載到360 N，分10次加載得到下面試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 優(yōu)化方案側(cè)向窗框剛度試驗(yàn)表

根據(jù)優(yōu)化后的測試結(jié)果和CAE分析結(jié)果，輸出相應(yīng)的曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示：測試曲線和CAE分析曲線相比，趨勢(shì)基本一致，誤差在5%以內(nèi)，在誤差可接受范圍，因此對(duì)標(biāo)狀態(tài)良好[5]。

圖8 加載點(diǎn)力-位移曲線(后門靠近C柱角點(diǎn)加載)

對(duì)比分析結(jié)果，如表4所示，測試值滿足目標(biāo)值，說明該優(yōu)化方案可以運(yùn)用到量產(chǎn)化中。

表4 仿真分析與測試的對(duì)比結(jié)果 mm

5 結(jié)論

門的側(cè)向窗框剛度在一定程度上會(huì)影響門的品質(zhì)。通過CAE分析得到結(jié)果，若不滿足CAE目標(biāo)值，可以查看應(yīng)變分布，找到剛度薄弱處，并對(duì)該處進(jìn)行有效的優(yōu)化。按優(yōu)化方案制作樣件，在實(shí)車上進(jìn)行測試驗(yàn)證，驗(yàn)證通過，說明該方案可以運(yùn)用于量產(chǎn)，有效縮短車門開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。