某型商用車后車門剛度性能分析

黃杰文

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌330200）

1 引言

車門是非常重要的車身覆蓋件，其主要由外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板、玻璃升降器和鉸鏈等部件組成，其通過鉸鏈與白車身連接一起形成一個(gè)閉合空間，并起到保護(hù)駕駛員安全的作用。車門剛度是指在一定作用力下抵抗變形的能力，通過作用力與及其變形量的比值來(lái)確定，是車門極其重要的靜態(tài)特性，車門剛度性能不足會(huì)引發(fā)車門卡死、密封性差、噪聲和振動(dòng)等問題，對(duì)車輛的舒適性和安全性有較大影響。為了驗(yàn)證某型商用車后車門的剛度性能，基于CAE 技術(shù)建立后車門有限元模型，分別對(duì)其橫向剛度和垂向剛度性能靜態(tài)分析，以評(píng)判其結(jié)構(gòu)的合理性，并且為后續(xù)的輕量化提供科學(xué)指導(dǎo)和借鑒。

2 有限元分析基本思想

有限元分析的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化處理，然后通過節(jié)點(diǎn)建立微分方程，再將其變量演變?yōu)楣?jié)點(diǎn)值與插值函數(shù)構(gòu)成的表達(dá)式，最后通過變分原理求解，力與位移的平衡方程為[1-2]：

式（1）中：f為結(jié)構(gòu)的載荷列陣；K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移列陣。

3 建立有限元模型

為了提升求解精度并且節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將某型商用車后車門的三維模型導(dǎo)入至Hypermesh 軟件中[3-4]，抽取各個(gè)零部件中性面，刪除對(duì)剛度性能影響較小的幾何特征，對(duì)其缺失面進(jìn)行填充，采用8 mm 的殼單元對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ACM2 單元模擬焊點(diǎn)連接，采用RBE2 單元模擬螺栓連接，根據(jù)各個(gè)零部件的材料牌號(hào)和厚度建立材料屬性并加載，以此建立后車門座有限元模型如圖1 所示。

4 剛度性能分析

4.1 橫向剛度

車門橫向剛度包括窗框橫向剛度和車身腰線開口部橫向剛度，基于后車門有限元模型，采用Nastran 軟件[5-6]約束鉸鏈處12345 的自由度，約束鎖扣處23 的自由度，約束緩沖塊處接地點(diǎn)的123456 自由度，分別在窗框內(nèi)側(cè)棱線的內(nèi)點(diǎn)、中點(diǎn)和外點(diǎn)沿Y方向施加﹣100 N 的載荷，以此對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，得到其位移云圖，如圖2、圖3、圖4 所示。由圖2 可知，車門窗框在內(nèi)點(diǎn)的位移為1.66 mm。由圖3 可知，車門窗框在中點(diǎn)的位移為2.17 mm。由圖4 可知，車門窗框在外點(diǎn)的位移為2.89 mm。三點(diǎn)的位移均小于目標(biāo)值（5 mm），因此，該后車門窗框橫向剛度性能符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足使用要求。

圖1 后車門有限元模型

同樣基于后車門有限元模型，并采用Nastran 軟件約束鉸鏈處12345 自由度，約束鎖扣處23 自由度，約束緩沖塊處接地點(diǎn)12346 自由度，在內(nèi)板重要車身腰線中點(diǎn)下方50 mm 處分別沿Y方向施加﹣100 N 和100 N 的載荷，以此對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，得到其位移云圖，如圖5 和圖6 所示。由圖5 可知，參考點(diǎn)5 減去參考點(diǎn)4 的位移為0.354 mm，參考點(diǎn)5 減去參考點(diǎn)6 的位移為0.32 mm。由圖6 可知，參考點(diǎn)5 減去參考點(diǎn)4 的位移為0.718 mm，參考點(diǎn)5 減去參考點(diǎn)6 的位移為0.68 mm。兩者的位移均小于目標(biāo)值（2 mm）因此，該后車門車身腰線開口部橫向剛度性能也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 后車門窗框內(nèi)點(diǎn)的位移云圖

圖3 后車門窗框中點(diǎn)的位移云圖

圖4 后車門窗框外點(diǎn)的位移云圖

圖5 后車門腰線加載﹣100 N 的位移云圖

圖6 后車門腰線加載100 N 的位移云圖

4.2 垂向剛度

基于后車門有限元模型，采用Nastran 軟件約束鉸鏈處12345 自由度，約束鎖扣處2 自由度，在鎖扣處沿Z方向施加﹣800 N 的載荷，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析。后車門垂向位移云圖如圖7 所示。由圖7 可知，該車門外點(diǎn)的位移為0.659 mm，小于實(shí)際工程要求值（2 mm），因此，滿足垂向剛度性能設(shè)計(jì)要求。

圖7 后車門垂向位移云圖

綜上所述，該后車門的橫向剛度性能和垂向剛度性能均符合要求，能夠有效避免發(fā)生失效和故障，為進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和參考。

5 結(jié)論

采用有限元方法建立某型商用車后車門網(wǎng)格模型，分別對(duì)其進(jìn)行約束和加載，得到了其各種工況的位移云圖，其橫向剛度和垂向剛度均符合設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了其合理性和可行性。該分析方法能夠提升產(chǎn)品開發(fā)效率，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，為工程應(yīng)用提供了重要參考依據(jù)，有很重要的工程應(yīng)用意義。