基于有限元仿真的某車門輕量化分析

王 祥，張 軍，田志俊，王康樂，馬奇驥

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003）

隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的推進(jìn)，未來制造業(yè)對(duì)于低能耗高性能產(chǎn)品的需求將越來越緊迫。汽車產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，在制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。近年來，輕量化作為汽車行業(yè)的熱門研究方向正受到越來越多的關(guān)注，其對(duì)于推進(jìn)行業(yè)的節(jié)能降耗具有重要意義[1]。

本文采用有限元仿真的方法，研究對(duì)象為國內(nèi)某主機(jī)廠一款商務(wù)車車門。首先運(yùn)用 Hyper Works軟件對(duì)主機(jī)廠預(yù)選材車門進(jìn)行模態(tài)、垂向剛度、靜強(qiáng)度仿真分析，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。分析結(jié)果顯示，車門存在輕量化空間。采用優(yōu)化零件數(shù)量、激光拼焊及材料厚度減薄的方式設(shè)計(jì)了車門的輕量化方案，并對(duì)輕量化車門進(jìn)行各項(xiàng)性能的仿真分析，綜合評(píng)估顯示輕量化車門各項(xiàng)性能滿足主機(jī)廠要求。

1 預(yù)選材車門性能分析

1.1 車門預(yù)選材方案及有限元模型

主機(jī)廠首先針對(duì)車門各主要零部件進(jìn)行了預(yù)選材，獲得用材方案如表1所示。

表1 車門各零部件預(yù)用材方案

采用HyperMesh進(jìn)行有限元建模，如圖1所示。網(wǎng)格尺寸選擇8 mm，網(wǎng)格劃分完成后，車門所有零部件共有節(jié)點(diǎn)42 001個(gè)，網(wǎng)格單元42 123個(gè)，其中四邊形單元40 689個(gè)，三角形單元1 434個(gè)，三角形單元占比3.4%。一般認(rèn)為三角形單元占比小于6%模型質(zhì)量為良好。

圖1 車門有限元模型

1.2 車門自由模態(tài)分析

汽車在行駛過程中會(huì)受到路面不平及發(fā)動(dòng)機(jī)怠速等所帶來的振動(dòng)，車門的固有頻率需避開外界因素導(dǎo)致的振動(dòng)頻率，否則引起共振將嚴(yán)重危害車門的密閉性及帶來異響[2]。車門的自由模態(tài)避開外界的激勵(lì)頻率能有效避免共振帶來的危害[3]。

通過HyperMesh進(jìn)行有限元建模及前處理，提交OptiStruct求解計(jì)算，在HyperView中查看自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果，顯示一階非剛體模態(tài)頻率為31.74 Hz，如圖2所示。振型為內(nèi)板中部彎曲，后續(xù)更高階模態(tài)頻率均高于一階頻率，滿足高于外界激勵(lì)24 Hz的要求。

圖2 一階彎曲模態(tài)

1.3 車門垂向剛度分析

車門的垂向剛度是衡量車門結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，若垂向剛度不足將導(dǎo)致車門變形，影響開閉，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致車門失效[4]。根據(jù)主機(jī)廠要求，在門鎖處加載1 000 N垂直向下的力，約束門安裝鉸鏈處 6個(gè)方向的自由度。在 HyperView中查看計(jì)算結(jié)果，顯示門鎖處的垂向位移為1.63 mm，如圖3所示。由式（1）計(jì)算得，車門的垂向位移為 612.45 N/mm，滿足主機(jī)廠不低于400 N/mm的要求。

圖3 門鎖處垂向位移

式中，EI為垂向剛度；F為加載力；ΔZ為加載點(diǎn)最大垂向位移。

1.4 車門靜強(qiáng)度分析

加載1 000 N垂直向下的力后，車門會(huì)產(chǎn)生變形，車門內(nèi)的最大應(yīng)力不能超過車門用材的屈服極限，否則車門將會(huì)產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂。計(jì)算結(jié)果顯示，車門的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)板的下方鉸鏈附近，最大應(yīng)力值為 109 MPa，車門內(nèi)板的預(yù)選材為DC04，其屈服強(qiáng)度下限為130 MPa，其余零部件內(nèi)應(yīng)力均未超過材料的屈服極限，如圖4所示。

圖4 車門應(yīng)力分布

1.5 車門柱碰安全分析

車門的安全性能測試一般采用側(cè)面柱碰的試驗(yàn)方法，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)《汽車側(cè)面碰撞的成員保護(hù)》（GB 20071—2006），按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)車門添加約束并放置碰撞圓柱，設(shè)置圓柱初速度為50 km/h，總計(jì)算時(shí)間為0.025 s，考察車門的最大侵入量[5]。通過計(jì)算，本車門向艙室內(nèi)的最大侵入量為364.8 mm，如圖5所示。

圖5 車門柱碰最大侵入量

2 輕量化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)車門各項(xiàng)性能的計(jì)算結(jié)果，車門的用材存在優(yōu)化空間，可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，客戶要求減重至少5%。從降低用戶成本的角度，采用去掉門內(nèi)板左側(cè)加強(qiáng)板、內(nèi)板坯料采用激光拼焊的方式設(shè)計(jì)輕量化方案一，除拼焊部分外所有零部件牌號(hào)及厚度不變；輕量化方案二為內(nèi)板左側(cè)加強(qiáng)板厚度減為1.4 mm、內(nèi)板厚度減為0.7 mm，其余零件厚度不變。輕量化方案有限元模型如圖 6和圖7所示。

圖6 車門輕量化方案一

圖7 車門輕量化方案二

新方案的輕量化效果如表2所示。

表2 兩方案輕量化效果對(duì)比

3 輕量化車門性能分析

3.1 方案一車門性能分析

針對(duì)輕量化方案一車門，依照前述方法開展車門的模態(tài)、垂向剛度、靜強(qiáng)度分析，結(jié)果顯示車門的一階非剛體模態(tài)為 30.21 Hz；門鎖處垂向位移為1.44 mm，根據(jù)式（1）計(jì)算得垂向剛度為694.44 N/mm，振型為內(nèi)板中部彎曲；最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在內(nèi)板的下方鉸鏈附近，最大應(yīng)力值為98.16 MPa，如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 輕量化車門一階非剛體模態(tài)

圖9 輕量化車門門鎖處垂向位移

圖10 輕量化車門應(yīng)力分布

通過方案一車門的柱碰安全仿真分析發(fā)現(xiàn)，車門的最大侵入量為366.5 mm，如圖11所示，比原車門侵入量增加1.7 mm，增幅0.47%。此結(jié)果也與車門的柱碰安全性能主要與防撞桿強(qiáng)相關(guān)的研究結(jié)果相契合[6]。

圖11 方案一車門柱碰最大侵入量

3.2 方案二車門性能分析

依照前述方法開展輕量化方案二車門的模態(tài)、垂向剛度、靜強(qiáng)度分析，得到車門的一階非剛體模態(tài)為30.42 Hz；門鎖處垂向位移為1.97 mm，計(jì)算得垂向剛度為507.61 N/mm，振型為內(nèi)板中部彎曲；最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)板的下方鉸鏈附近，最大應(yīng)力值為133.5 MPa，已超過內(nèi)板材料的屈服強(qiáng)度。如圖12—圖14所示。

圖12 輕量化車門一階非剛體模態(tài)

圖14 輕量化車門應(yīng)力分布

圖13 輕量化車門門鎖處垂向位移

3.3 各方案性能對(duì)比分析

輕量化車門性能分析的各項(xiàng)結(jié)果均滿足主機(jī)廠要求，個(gè)別性能甚至優(yōu)于原車門。優(yōu)化前后兩個(gè)方案車門各項(xiàng)性能與原車門性能對(duì)比如表 3所示。

表3 輕量化車門與原車門各項(xiàng)性能對(duì)比

4 總結(jié)

基于有限元仿真分析的方法，采用 Hyper Works分析了原用材車門的模態(tài)、垂向剛度、靜強(qiáng)度，結(jié)果顯示符合主機(jī)廠要求。后采用去掉內(nèi)板左側(cè)加強(qiáng)板、內(nèi)板坯料，采用變厚度激光拼焊及材料減厚的方式設(shè)計(jì)了兩種輕量化方案車門。針對(duì)輕量化車門的性能分析顯示，方案一車門的各項(xiàng)性能及輕量化指標(biāo)滿足主機(jī)廠要求，且安全性相比原車門變化極?。欢桨付囬T下垂工況的靜應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，無法滿足車門的安全使用。相關(guān)仿真分析結(jié)果可以為主機(jī)廠基于馬鋼材料的車門優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。