汽車側(cè)門正向設(shè)計中關(guān)門能量的計算

胡建鋒，王 鑫，杜保華，金云光，田 亮，歐陽明，高 凱，武 韓

（江淮汽車技術(shù)中心，合肥 230009）

前言

汽車側(cè)門系統(tǒng)的正向設(shè)計涉及諸多零部件的結(jié)構(gòu)及相關(guān)屬性，在確保汽車側(cè)門系統(tǒng)安全性的同時，還必須滿足使用者操作舒適性需要。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對汽車的各項要求也同時提高。早期在設(shè)計側(cè)門時，側(cè)門開閉過程各擋位操作力僅須滿足汽車側(cè)門開閉的基本要求，它主要取決于限位器結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、側(cè)門質(zhì)量和鉸鏈軸傾角等特性，但近年來，隨著關(guān)門能量逐漸被引用于側(cè)門系統(tǒng)的設(shè)計要求，汽車側(cè)門系統(tǒng)力學(xué)特性涉及的零部件及其結(jié)構(gòu)將大大增加，如座艙有效空間、排氣閥截面積、側(cè)門側(cè)窗面積、各種密封膠條結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性、鎖機(jī)構(gòu)及其力學(xué)特性和側(cè)門迎風(fēng)面積等，涉及的學(xué)科和計算難度因此都將大大增加。

基于這樣一個龐大計算系統(tǒng)和諸多的設(shè)計計算參數(shù)：如何建立一個數(shù)據(jù)庫文件？如何將設(shè)計中預(yù)置的參數(shù)數(shù)據(jù)自動提取并將其存儲在數(shù)據(jù)庫指定位置？如何按照不同結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立實際計算文件？如何實現(xiàn)計算文件設(shè)計參數(shù)輸入內(nèi)容對數(shù)據(jù)庫文件存儲的設(shè)計參數(shù)的快捷讀??？如何按照設(shè)計目標(biāo)要求自動完成最佳設(shè)計方案的搜尋？如何快捷實現(xiàn)最小關(guān)門能量的自動計算及各個部件能耗分布？等等，本文中將對這些問題進(jìn)行研究。

1 建立側(cè)門系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)庫

1.1 數(shù)據(jù)庫文件存儲位置規(guī)劃

汽車側(cè)門系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，涉及計算參數(shù)數(shù)以千計，這么大的設(shè)計輸入量若直接在計算文件中進(jìn)行，不僅增加計算輸入錯誤風(fēng)險，也不利于設(shè)計參數(shù)的計算管理和各項目應(yīng)用傳承。因此，對數(shù)據(jù)庫文件存儲位置進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)置不同的工作表作為各個項目設(shè)計參數(shù)的集中存儲，新項目的預(yù)置數(shù)據(jù)存儲在“新建”中，新建項目從開始新建到項目完成，設(shè)計的預(yù)置參數(shù)可能都在不停更新，譬如：側(cè)門質(zhì)量和質(zhì)量中心的更新，其計算也將隨時進(jìn)行，這符合正向設(shè)計要求，當(dāng)一個新的項目通過不停地修訂直至最終固化，也預(yù)示著一個設(shè)計過程的結(jié)束，“新建”項目將轉(zhuǎn)為正式存儲項目，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫存儲規(guī)劃（局部）

1.2 大量點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的提取與存儲

汽車側(cè)門系統(tǒng)的布置參數(shù)源于側(cè)門系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如限位器臂桿結(jié)構(gòu)決定其開閉過程中過擋力的大小和過程耗能的大小，側(cè)門輪廓、門洞條輪廓、門框條輪廓和排氣閥輪廓決定關(guān)門過程氣體流動阻力耗能的大小，這些決定相關(guān)開關(guān)門特性的位置坐標(biāo)是計算的依據(jù)，因此需要將它們匯總到一起，按照結(jié)構(gòu)位置予以存儲，等候調(diào)用。

環(huán)形軌跡線數(shù)據(jù)的提取方法：通過已知的環(huán)形軌跡線及其中心位置點(diǎn)，首先由中心位置點(diǎn)分別沿Y向和Z向拉伸至足夠大的平面，該平面與環(huán)形軌跡線只有一個交點(diǎn)，再在360°范圍內(nèi)圓形矩陣該平面，角度間距參數(shù)設(shè)為θ（θ＝1°，0.1°，0.01°，可調(diào)）使矩陣面與環(huán)形軌跡線交點(diǎn)另存成*.igs格式的文件，再利用CATIA中Digitized Shape Editor模塊將剛另存的igs格式轉(zhuǎn)化為Ascii free的asc點(diǎn)坐標(biāo)的文本文件，最后導(dǎo)出至數(shù)據(jù)庫中指定位置，完成從3D具體點(diǎn)到具體點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過程?；贑ATIA平臺，利用VBA語言，將這個過程編制成固定的環(huán)形軌跡點(diǎn)自動提取軟件，面對任意的環(huán)形軌跡線及其中心位置點(diǎn)兩個參量，點(diǎn)擊自動提取軟件按鈕，瞬間完成提取過程，如圖2所示。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)點(diǎn)的自動提取

1.3 存入的計算參數(shù)正確性校核

上述大批量數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫后，還需要對個別設(shè)計參數(shù)進(jìn)行錄入，涉及計算參數(shù)的完整和正確，通常情況下通過存入的數(shù)據(jù)不能有效識別其正確性與否，數(shù)據(jù)庫中增加了一個“數(shù)據(jù)輸出”模塊，點(diǎn)擊說明書可了解其具體功能，選擇須導(dǎo)出的項目，選擇須導(dǎo)出是前門還是后門，點(diǎn)擊“讀取項目數(shù)據(jù)并導(dǎo)出”按鈕，模塊迅速讀取指定的區(qū)域數(shù)據(jù)，并迅速打開CATIA，并在其中新建一個“part”并把所有坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入其中，將這個“part”裝入原設(shè)計數(shù)據(jù)，可以清晰地檢查是否存在輸入錯誤。主要操作界面如圖3所示，校對內(nèi)容如圖4所示。

1.4 數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)可以共享其他計算

涉及側(cè)門的設(shè)計計算文件內(nèi)容很多，如：側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)耐碰撞能力的計算、側(cè)門玻璃升降系統(tǒng)的布置計算等，均可共享此數(shù)據(jù)庫文件。

圖3 數(shù)據(jù)庫參數(shù)導(dǎo)出至3D模塊（局部）

圖4 導(dǎo)出數(shù)據(jù)與實際3D數(shù)據(jù)校對（局部）

2 計算文件和數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)

本計算模型的重點(diǎn)內(nèi)容是關(guān)門能量的計算分析，從正向設(shè)計角度，將側(cè)門開閉過程操作力和關(guān)門過程最小能耗兩種考核指標(biāo)相結(jié)合的設(shè)計和計算過程，以下將著重敘述有關(guān)關(guān)門能量中氣阻能耗和膠條壓縮能耗的計算應(yīng)用，其它內(nèi)容請參考以往文獻(xiàn)［1］。

計算文件共設(shè)置輸入內(nèi)容、計算過程、方案優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫（限位器結(jié)構(gòu)）、鎖能量、計算輸入和結(jié)果（側(cè)門及膠條結(jié)構(gòu)）、關(guān)門能量分析、數(shù)據(jù)輸出等幾個計算模塊，如圖5所示。

圖5 信息輸入內(nèi)容

基本信息輸入說明：點(diǎn)擊“輸入內(nèi)容”進(jìn)入基本信息輸入模塊，如圖5所示，左上部包含有“項目車型”“計算對象”“擋位名稱”等須選擇輸入，它是基本信息輸入，以后的讀入數(shù)據(jù)庫信息以及計算判斷都將基于此展開計算。

綠色按鈕控制著“操作提示內(nèi)容”，初學(xué)者可以通過對這些按鈕的操作，獲取操作方法方面的指導(dǎo)，白色按鈕是“自動操作按鈕”，點(diǎn)擊它將自動完成一個過程的計算，譬如點(diǎn)擊“進(jìn)入計算”按鈕，便立即進(jìn)入自動狀態(tài)，系統(tǒng)將依據(jù)基本信息的定義，將數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)項目的數(shù)據(jù)迅速讀入至計算文件中，完成計算模型的創(chuàng)建。

3 計算過程計算模塊分析

基于計算拓展的需要，關(guān)門能耗主要由以下14項內(nèi)容構(gòu)成［2］：

（1）開始點(diǎn)到閉合點(diǎn)側(cè)門重力勢能；

（2）鉸鏈旋轉(zhuǎn)阻力矩耗能；

（3）鎖合過程鎖舌運(yùn)動阻力耗能；

（4）限位器彈性體釋放勢能；

（5）限位器滑塊摩擦阻力耗能；

（6）限位器臂桿旋轉(zhuǎn)摩擦耗能；

（7）門洞膠條氣阻耗能；

（8）門洞膠條壓縮耗能；

（9）門框膠條氣阻耗能；

（10）門框膠條壓縮耗能；

（11）門洞膠條和門框膠條間氣阻耗能；

（12）側(cè)門風(fēng)阻耗能；

（13）座艙氣阻耗能；

（14）關(guān)門過程施加的閉合動能。

涉及一般摩擦力、重力等能耗，在原有的計算中增加能量計算部分即可完成，但涉及空氣流體力學(xué)和膠條載荷能耗則必須新建計算模塊，以下是比較典型的模型計算分析。

3.1 座艙氣阻耗能［3］

座艙氣阻耗能模型如圖6所示，圖中：由序號3、9組成當(dāng)前的壓力空間；由序號4、6、7組成當(dāng)前的泄壓孔面積（其中7表示可根據(jù)需要決定是否選擇）；由序號5組成當(dāng)前上一階段新增的空氣體積。在整車任意側(cè)門關(guān)閉過程，側(cè)門門洞膠條的迎風(fēng)面積、側(cè)門門洞膠條的迎風(fēng)面積掃過的空間、座艙有效空間、泄壓閥截面積、可選擇開閉的其它側(cè)門或側(cè)窗玻璃面積、側(cè)門門洞膠條的迎風(fēng)面輪廓開啟過程開放面積組成一個計算模型。

圖7為根據(jù)圖6結(jié)構(gòu)模型簡化的理想模型。由圖可知，當(dāng)活塞以某一速度進(jìn)行壓縮行程時，部分空氣從小孔排氣，隨著壓縮速度的增加，一部分氣體來不及排出，使當(dāng)前內(nèi)壓增加并阻止活塞運(yùn)行。不考慮活塞管壁的摩擦力，當(dāng)活塞運(yùn)行行程為l且運(yùn)行時間為t時的阻力所做的功如式（1）所示，模型左右兩端所做功是相同的。

壓縮運(yùn)動過程中，空腔內(nèi)所存氣體質(zhì)量須減去漸漸排除的空氣質(zhì)量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，壓縮運(yùn)動結(jié)束瞬間的壓力，通過排氣閥及其他通道向外排除空氣，氣體的流量速度［4］為qm，其單位是kg/s：

式中：S為前后兩種壓縮狀態(tài)下壓力之比，即S＝p2/p1，當(dāng)S處于不同區(qū)間時執(zhí)行不同的氣體流量速度計算式計算；r為絕熱系數(shù)，r＝1.4；A0為排氣閥及其他通道向外排出空氣的面積；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

將式（1）～式（3）轉(zhuǎn)化為具體的計算內(nèi)容，如圖8所示。首先將關(guān)門過程定義為從第一擋限位角度處開啟至關(guān)閉0°結(jié)束，計算系統(tǒng)會自動計算出第一擋限位處所對應(yīng)的角度，將這個關(guān)門過程所包含的角度，細(xì)化成若干微分角度，定義每個微分角度為0.01°，即每隔0.01°計算一次（可根據(jù)計算機(jī)能力設(shè)置微分角度，實際上微分角度越小計算結(jié)果越精確，但這也是受到計算機(jī)計算能力限制的），如果第一擋限位處對應(yīng)角度為30.75°，則全部開閉過程的計算為3 075次，以序號5為例說明其計算內(nèi)容。

圖6 布置點(diǎn)座艙氣阻耗能

圖7 壓縮活塞小孔排氣過程模型

圖8 座艙氣阻耗能模型計算內(nèi)容（局部）

S列對應(yīng)的“壓入空氣體積”主要內(nèi)容指“上一個壓入空氣體積”與“上一個排出氣體體積”之差。

T列對應(yīng)的“空腔體積”包括“座艙有效空間”和“門洞膠條迎風(fēng)面累計壓入的空氣體積”。

U列對應(yīng)的“內(nèi)外壓縮比”等于“當(dāng)前壓入空氣體積/當(dāng)前空腔體積”。

V列對應(yīng)的“座艙空氣壓力”等于“當(dāng)前內(nèi)外壓力比×標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”。

W列對應(yīng)的“座艙壓力增加”等于“當(dāng)前座艙空氣壓力”和“標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”的差值。

X列對應(yīng)的“內(nèi)部密度”等于“0°標(biāo)壓下空氣密度”ד絕對溫度K0”ד當(dāng)前座艙空氣壓力”/（“標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”ד工作溫度K1”）。

Y列對應(yīng)的“內(nèi)部密度”等于“0°標(biāo)壓下空氣密度”ד絕對溫度K0”/“工作溫度K1”。

Z列對應(yīng)的“排氣速度”等于SQRT（2×（當(dāng)前座艙空氣壓力-標(biāo)準(zhǔn)氣壓值/當(dāng)前空氣外部密度））。

AA列對應(yīng)的“氣體流量”就是式（3），由于S＜1.001，故選擇式（3）中第一部分公式，其中將側(cè)門窗的開閉狀態(tài)作為可選擇的附加排氣孔內(nèi)容，而側(cè)門洞開啟間隙面積作為始終排氣面積，因此當(dāng)開度較大時，大部分排除空氣均通過側(cè)門洞開啟間隙排出，只有當(dāng)開度較小或門洞膠條已經(jīng)和門鈑金全接觸時，才通過排氣閥及可選擇的附加排氣孔排出。此處還涉及“門洞膠條間開啟面積”計算，它是利用門洞膠條輪廓微分后的相鄰輪廓點(diǎn)，一組固定在0°位置，另一組隨開啟過程移動，當(dāng)開啟值任意角度時，通過角度計算各移動點(diǎn)坐標(biāo)，通過各移動點(diǎn)坐標(biāo)計算出兩組相鄰兩點(diǎn)的5條線段長度，通過5條線段長度計算出兩個三角形面積，通過各全部輪廓點(diǎn)計算出任意角度時“門洞膠條間開啟面積”，這個計算過程是在輸入結(jié)束后首先進(jìn)行的，目的就是后續(xù)計算提供累計計算的結(jié)果，稱為“第一微分計算”。這個關(guān)聯(lián)多個跟側(cè)門及膠條相關(guān)的累計參數(shù)，后續(xù)計算將設(shè)計此處內(nèi)容。此處內(nèi)容較多，不再贅述。

AB列對應(yīng)的“排氣氣體質(zhì)量”等于（當(dāng)前的排除空氣流量＋上一個排除空氣流量）×（當(dāng)前單元對應(yīng)時間-上一個單元對應(yīng)時間）/2；相鄰兩個瞬時流量平均時間積累。

由于有座椅、遮陽板、各種內(nèi)飾板等附件遮擋，排氣氣流只能通過其中間隙或設(shè)置在特定位置格柵孔進(jìn)行流動，其排氣阻力將大大增加，瞬間排出的空氣質(zhì)量也將大大減小，不同的排氣阻力通道，將對應(yīng)不同的通道阻力系數(shù)Zx。

AC列對應(yīng)的“排氣氣體體積”等于“當(dāng)前氣體流量”與“當(dāng)前氣體內(nèi)部密度”比值。

AD列對應(yīng)的“排氣氣體體積”等于“上一個座艙氣阻耗能J＋微分角度弧度×當(dāng)前座艙壓力增加量×門洞膠條迎風(fēng)面積×門洞迎風(fēng)面質(zhì)心力矩長度/1000”。

計算結(jié)束后在AD列最上部呈現(xiàn)整個過程累計耗能數(shù)值。

以上過程是使用數(shù)值積分原理與循環(huán)迭代方法進(jìn)行的計算，類似計算將出現(xiàn)多次。

3.2 門洞膠條壓縮耗能

門框膠條壓縮耗能計算與座艙氣阻能耗類似，可參照執(zhí)行，其模型見圖9和圖10，門框膠條是按照基本壓力線走向和承壓方向圍成的一個環(huán)形密封原件，在計算的文件中已經(jīng)將這個環(huán)形結(jié)構(gòu)壓力線按照一定規(guī)律微分成若干微單元（本計算分成360個微單元，可以分得更多），以適應(yīng)計算準(zhǔn)確性需要。

圖9 膠條載荷模型

圖10 膠條微分單元模型

通過相鄰兩點(diǎn)可以計算其中點(diǎn)；通過其中點(diǎn)和鉸鏈軸兩點(diǎn)可以計算出該中點(diǎn)到鉸鏈軸的距離，即該微分段膠條的旋轉(zhuǎn)半徑；通過相鄰兩點(diǎn)可以計算微單元膠條長度；通過對相鄰兩點(diǎn)圍繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)的計算可以計算出任意點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后與其處于0°位置的距離，根據(jù)這個距離可以判定該點(diǎn)是否處于壓縮狀態(tài)，壓縮了多少；在某一關(guān)閉角度下，根據(jù)存儲在固定位置的膠條壓縮載荷信息和計算獲得的該膠條微單元長度以及實際膠條的實際壓縮量，即可算出微單元的實際壓縮力，其壓縮力向量由相鄰兩點(diǎn)連線的向量與鉸鏈軸線向量確定，中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)向量與微單元壓縮力向量存在一定角度，將壓縮力轉(zhuǎn)化為實際的鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，計算該角度下所有相鄰兩點(diǎn)的壓縮力并分別轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，累加各相鄰兩點(diǎn)所對應(yīng)鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，即獲得當(dāng)前的開閉微單元角度下整個膠條的壓縮旋轉(zhuǎn)力矩。依次計算全部開閉微單元角度，獲得各開閉微單元角度下的整個膠條的壓縮旋轉(zhuǎn)力矩。這個過程在3.1節(jié)中被名為“第一微分計算”部分一并計算完成。

根據(jù)各開閉微單元旋轉(zhuǎn)力矩、開閉微單元角度累計計算出整個關(guān)門過程壓縮膠條所損耗的全部能量。

3.3 門洞膠條氣阻耗能［5］

門框膠條氣阻耗能計算也類似，可參照執(zhí)行，其模型見圖10和圖11。

圖11 膠條氣阻模型

計算原理：一定速度壓縮帶小孔泡管，泡管被壓縮體積中一部分空氣通過小孔排出，一部分被壓縮后，使泡管內(nèi)部壓強(qiáng)升高，每個微單元泡管的壓力作用在承壓面積上，承壓面中心點(diǎn)是相鄰兩點(diǎn)中心，該點(diǎn)與其在鉸鏈軸上的投影點(diǎn)間的連線構(gòu)成作用力臂，微單元相關(guān)計算內(nèi)容如下：

式中：nn為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量；mn為當(dāng)前微單元承壓面向量；ωn為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量與微單元承壓面向量間的夾角，rad；Ln為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)力臂；Hn為當(dāng)前微單元承壓線長度（前段）；Nn為當(dāng)前微單元相鄰兩點(diǎn)長度；Cn為當(dāng)前微單元面矩（有效承壓面積與力臂之積）；p為整個膠條泡管在當(dāng)前開啟角度下被壓縮瞬間的壓強(qiáng)；An為單個排氣孔面積；T為排氣孔總數(shù)；A為排氣孔總面積；M為總力矩；Vθ為當(dāng)前開閉角度下膠條整體泡管的總體積。

以上Cn和Vθ兩項計算過程在3.1節(jié)被名為“第一微分計算”部分一并計算完成。門洞膠條氣阻模型計算與座艙氣阻耗能相似，其具體內(nèi)容參考圖8結(jié)構(gòu)編制。

3.4 門洞門框兩膠條之間空間氣阻耗能

在側(cè)門完全閉合情況下，門洞門框兩膠條之間由側(cè)圍及門內(nèi)鈑金和內(nèi)護(hù)板圍成的空間，稱為門洞門框夾縫空間，如圖12所示，這個空間體積很小，產(chǎn)生阻力能耗的面積也非常小，并且該空間沒有固定的排氣通道，只能依賴零部件之間的配合間隙排氣，故排氣效果較差，很容易在閉合瞬間導(dǎo)致氣壓陡升，形成較大的關(guān)門阻力耗能。該氣阻的計算過程也與座艙氣阻耗能相似（見圖9），不再贅述，需要注意的問題如下。

圖12 由門框、門洞膠條圍成的空間

（1）門洞門框夾縫空間體積

門洞門框夾縫空間體積相對固定，實際測量比較困難可以預(yù)置其體積約為0.003 4 m3。

（2）門洞門框夾縫空間壓入空氣

門框和門洞兩膠條迎風(fēng)面交集部分面積是向門洞門框夾縫空間壓入空氣的來源。

（3）門洞門框夾縫空間泄漏空氣的面積

門洞門框夾縫空間泄漏空氣的面積沒有明確數(shù)據(jù)，但實際上是依賴零部件之間的配合間隙排氣，計算中預(yù)留了一個排氣孔面積輸入，可以根據(jù)制造情況定義排氣孔面積。

（4）夾縫空間周圍門洞門框膠條承壓特性

在關(guān)門過程中，尤其閉合終點(diǎn)附近，當(dāng)空氣泄漏量很小時，勢必使門洞門框夾縫空間內(nèi)部壓強(qiáng)劇增，門洞門框膠條的承壓特性就呈現(xiàn)出來，承壓特性就是指當(dāng)夾縫空間壓強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時，門洞膠條或門框膠條不再維持其密封狀態(tài)，開啟松動泄壓，見圖13，這個膠條承壓屬性需要根據(jù)膠條熟悉定義或測量獲得。

圖13 膠條圍成空間的保壓曲線

3.5 關(guān)門過程施加的閉合動能的自動搜索

在側(cè)門閉合過程中一部分能量有利于關(guān)門動作實現(xiàn)，而另一部分能量阻礙關(guān)門動作實現(xiàn)，人們習(xí)慣于在門停于1擋位置時施力關(guān)門，所以關(guān)門能量起始點(diǎn)定義為限位1擋位置，如圖14所示，施力維持時間不能限定，根據(jù)操作習(xí)慣，瞬間給力，使側(cè)門運(yùn)動一段距離后停止施力，此過程包含操作舒適性的要求。

圖14 施力關(guān)門過程與限位器臂桿位置關(guān)系

具體地說：如圖14所示，關(guān)門能量測量起始位置于1擋限位位置，該位置所對應(yīng)角度等信息通過模型計算獲得，可直接讀取位置角度，關(guān)門過程施加的力設(shè)置為一個連續(xù)遞增的值，范圍為0～100 N，可根據(jù)需要增加或減小范圍，減小計算量，施力延續(xù)范圍為5°，它與兩點(diǎn)大小范圍配套進(jìn)行，如一個施加力F作用在關(guān)門作用點(diǎn)，開啟關(guān)門動作，保持作用力大小不變并延續(xù)保持關(guān)門角度為5°，該過程施加力所做功為

式中：W為外力作用下所施加的閉合動能，J；RADIANS（θ）為施力延續(xù)范圍為θ所對應(yīng)的弧度；F為施加的外力大小，N；L為施加的外力力臂長度，m。

側(cè)門限位系統(tǒng)計算基本信息如圖15所示，它是將計算模型各個部件和機(jī)構(gòu)所消耗的能量進(jìn)行匯總和分析，它監(jiān)控并讀取關(guān)門過程任意微分單元。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)關(guān)門動作由施加的閉合動能開始動作，動作過程中需要克服或釋放對應(yīng)的能量：當(dāng)動作趨于壓縮膠條瞬間時，該值也為實際計算獲得，圖15中“5.5°”對應(yīng)值，所指轉(zhuǎn)化為動能值最大，其閉合速度也為最大，“1.14”對應(yīng)值為關(guān)門速度；當(dāng)動作趨于閉合瞬間時，為了保證門鎖等機(jī)構(gòu)能完全閉合，在閉合瞬間仍然需要保持一定微小速度，“0.04”對應(yīng)值為維持速度；以上數(shù)值都與施加的閉合動能相關(guān)，施加的閉合動能越大關(guān)門速度越大，維持速度也越大，實際測量時若想使維持速度剛好為0很困難，理論計算過程，若通過手動查找維持速度剛好為0也很困難。因此需要解決如何自動搜索最小關(guān)門能量的關(guān)門計算過程。

圖15 側(cè)門限位系統(tǒng)計算基本信息

4 自動搜索最小關(guān)門能量值

最小關(guān)門能量是針對當(dāng)前設(shè)計布置方案建立的關(guān)門能量自動計算模塊，它通過Excel平臺的二次開發(fā)以及VBA語言編程，將自動計算和搜索過程編程，點(diǎn)擊“最佳關(guān)門能量”按鈕，計算將自動進(jìn)行，直至搜索計算出最小關(guān)門能量，部分代碼如下：

Dim i As Integer

Sheets（“關(guān)門能量分析”）.Select

ActiveWindow.Zoom＝100

Columns（“AJ：AOQ”）.Select′刪除上次計算內(nèi)容

Selection.Delete Shift：＝xlToLeft

ActiveWorkbook.Save′文件保存

Range（“AE3”）.Select

ActiveWindow.FreezePanes＝False

Columns（“H：AD”）.Select

Selection.EntireColumn.Hidden＝True

i＝Range（“A1”）

For i＝0 To i

Range（“C3”）.Select

ActiveCell.FormulaR1C1＝（Range（“A1”）-i）/10

If Range（“AE2”）＞0 Then

Columns（“AJ：AJ”）.Select

Selection.Insert Shift：＝xlToRight，

CopyOrigin：＝xlFormatFromLeftOrAbove

Range（“AE1：AE2”）.Select

Application.CutCopyMode＝False

Selection.Copy

Range（“AJ1”）.Select

Selection.PasteSpecial Paste：＝xlPasteValues，

Operation：＝xlNone，SkipBlanks＿

：＝False，Transpose：＝False

End If

Next i

5 結(jié)論

通過對某一個具體部件和系統(tǒng)的建模計算，將一個復(fù)雜的工程有序融合在一起。

將所有設(shè)計輸入另存在一個專門區(qū)域——數(shù)據(jù)庫文件，便于設(shè)計輸入?yún)?shù)的集中管理和調(diào)配使用，修正和編輯這些數(shù)據(jù)庫文件即獲得新的設(shè)計方案。

通過二次開發(fā)利用VBA語言編程，一鍵讀取指定的設(shè)計內(nèi)容，完成指定設(shè)計預(yù)置方案的計算；同時根據(jù)需要確定是否對局部設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行自動優(yōu)化。多個比較復(fù)雜的計算均采用程序化控制方式，一鍵完成對應(yīng)計算內(nèi)容，一鍵完成最小關(guān)門能量的計算，簡單快捷。

根據(jù)正向設(shè)計過程的嚴(yán)密性和連續(xù)性的需要，由于周邊布置條件的改變會不斷修改設(shè)計輸入，將修訂內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫文件中對應(yīng)修改，然后通過按鍵即可完成修訂方案的再計算，瞬間即可完成結(jié)果輸出，為正向設(shè)計提供即時、快捷、準(zhǔn)確的計算結(jié)果理論支撐。

正向設(shè)計結(jié)束后，存儲在數(shù)據(jù)庫中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和屬性內(nèi)容可以作為典型設(shè)計保存，以為后續(xù)設(shè)計提供參考依據(jù)，該計算方法可在較短時間內(nèi)設(shè)計出最佳布置方案，并大大提高設(shè)計品質(zhì)，推進(jìn)了設(shè)計智能化方向進(jìn)程，值得在汽車正向設(shè)計中借鑒。