汽車門(mén)內(nèi)飾板設(shè)計(jì)及有限元分析

吳 琳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，客戶對(duì)車門(mén)內(nèi)飾板要求也越來(lái)越高，這也是對(duì)汽車整車內(nèi)飾精細(xì)化要求的進(jìn)一步體現(xiàn)[1]。車門(mén)內(nèi)飾板對(duì)車門(mén)鈑金、車身零件、電子線束等起著經(jīng)久耐用的包覆作用，并為地圖袋、扶手等部件提供安裝面，還可以為喇叭及線路提供傳輸和安裝空間。因此，車門(mén)內(nèi)飾板的設(shè)計(jì)方案就顯得非常重要，其設(shè)計(jì)的好與壞，受到消費(fèi)者的格外關(guān)注。如果設(shè)計(jì)得不好，其與周邊件的間隙面差將不符合主機(jī)廠的要求，成型的產(chǎn)品質(zhì)量感觀較差[2]。

1 門(mén)內(nèi)飾板的成型工藝

門(mén)內(nèi)飾板分為硬質(zhì)內(nèi)飾板和軟質(zhì)內(nèi)飾板兩種。常用的成型工藝有注塑成型、手工包覆成型、陽(yáng)模真空吸附成型以及陰模真空吸附成型、軟質(zhì)門(mén)內(nèi)飾板成本較高，以前一般用于高端車型上。目前隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為了讓自身開(kāi)發(fā)的車型能夠在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力更大，各大主機(jī)廠大量使用軟質(zhì)內(nèi)飾板的設(shè)計(jì)[3]，而硬質(zhì)門(mén)內(nèi)飾板由于成本較低，目前主要用于較低端的商用車上。本文論述的門(mén)內(nèi)飾板屬于硬質(zhì)內(nèi)飾板，其材料如表1所示。

表1 門(mén)內(nèi)飾板的材料及制造工藝

內(nèi)襯板、加強(qiáng)板與門(mén)內(nèi)飾板的安裝采用焊接工藝，熱熔柱的設(shè)計(jì)需滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。

2 門(mén)內(nèi)飾板的定位安裝方式

2.1 定位方式

門(mén)內(nèi)飾板的定位方式有兩種，一種是直接靠安裝卡扣定位，此種方法安裝門(mén)飾板時(shí)不好對(duì)準(zhǔn)，另外一種則是通過(guò)門(mén)內(nèi)飾板上的定位銷與鈑金上的定位孔進(jìn)行定位，主定位放在飾板前端[4]，定位銷尺寸設(shè)計(jì)為Φ15.9 mm，對(duì)應(yīng)鈑金孔為Φ16 mm的圓孔，定位間隙為單邊0.1 mm。副定位放在飾板后端，對(duì)應(yīng)鈑金孔為16 mm×20 mm的腰型孔，如圖 1所示。定位銷設(shè)計(jì)時(shí)可以做長(zhǎng)，安裝時(shí)可起導(dǎo)向作用。一般門(mén)內(nèi)飾板的拔模角度為Y向。

圖1 定位銷

2.2 門(mén)內(nèi)飾板與鈑金的安裝方式

目前門(mén)內(nèi)飾板的安裝方式一般采用塑料卡扣卡接+螺接的安裝方式，螺釘一般布置在不可見(jiàn)區(qū)域。門(mén)板的安裝力當(dāng)用雙手安裝時(shí)不能超過(guò)108 N，單手安裝時(shí)不能超過(guò)75 N，否則會(huì)安裝困難，飾板的拆卸力不能超過(guò)220 N。飾板的拆卸次數(shù)不應(yīng)少于 5次，否則引起售后抱怨。鈑金的沖孔方向應(yīng)與門(mén)內(nèi)飾板的安裝方向一致，否則沖孔時(shí)的毛刺會(huì)影響內(nèi)飾板的安裝[5]。門(mén)內(nèi)飾板上的塑料卡扣一般采用防水塑料卡扣，如圖 2所示。按門(mén)內(nèi)飾板與車門(mén)鈑金配合處是否容易被發(fā)現(xiàn)，將門(mén)內(nèi)飾板分成如圖 3所示三個(gè)區(qū)域：重點(diǎn)區(qū)域、次重點(diǎn)區(qū)域及非重點(diǎn)區(qū)域。在重點(diǎn)區(qū)域卡扣布置較密，安裝點(diǎn)的布置間距一般為140 mm～200 mm，次重點(diǎn)及非重點(diǎn)區(qū)域的卡口安裝點(diǎn)布置間距一般為170 mm～250 mm。本文中的門(mén)內(nèi)飾板非重點(diǎn)區(qū)域由于無(wú)法布置卡扣而采用了螺釘固定。且為了控制門(mén)內(nèi)飾板與鈑金的配合間隙，盡可能將卡扣布置在門(mén)內(nèi)飾板邊緣，一般距邊緣距離大約15 mm～30 mm。門(mén)內(nèi)飾板與鈑金的間隙一般定義為0 mm。

圖2 門(mén)內(nèi)飾板使用塑料卡扣

圖3 視覺(jué)區(qū)域劃分

門(mén)內(nèi)飾板與門(mén)水切、玻璃及鈑金的安裝關(guān)系如圖 4所示。此安裝方式視覺(jué)上只看的到門(mén)飾板與玻璃之間一條縫，外觀較美觀。門(mén)內(nèi)飾板掛在水切上，并零貼，水切卡在門(mén)鈑金上，且飾板翻邊與水切的搭接量②至少為8 mm。飾板與玻璃的間隙⑦至少為7 mm，飾板背面的筋與水切的間距及飾板翻邊底部到水切間距⑥至少要保證1.5 mm的安裝間隙，否則飾板安裝困難。

圖4 門(mén)內(nèi)飾板的安裝方式

門(mén)內(nèi)飾板卡扣座上塑料卡扣安裝孔開(kāi)口盡量不要朝下或朝上，否則塑料卡扣在運(yùn)輸過(guò)程中易脫落或是在拆卸門(mén)內(nèi)飾板時(shí)易脫落。如果確實(shí)因結(jié)構(gòu)問(wèn)題模具無(wú)法出模導(dǎo)致開(kāi)口必須向下的話，卡扣座安裝面上需增加楔塊結(jié)構(gòu)避免卡扣脫落。同時(shí)為了保證卡扣座的強(qiáng)度，卡扣座中間需增加支撐筋，如圖5所示。且卡扣座根部需減膠處理，防止門(mén)內(nèi)飾板表面有縮印，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

圖5 門(mén)內(nèi)飾板上卡扣座

縮印是指塑料材料冷卻收縮時(shí)，由于厚壁內(nèi)外冷卻速度不一致，當(dāng)外部物料冷卻凝固后制品中心的物料才開(kāi)始冷卻，造成壁的表面向內(nèi)收縮而產(chǎn)生表面局部下沉現(xiàn)象。注塑件表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)縮印， 嚴(yán)重影響制品的美觀及質(zhì)量?？s印常發(fā)生在厚壁或設(shè)置加強(qiáng)筋、Boss柱的相對(duì)應(yīng)表面。門(mén)內(nèi)飾板所用材料為聚丙烯（Polypropylene, PP）材料，其上的定位Boss柱設(shè)計(jì)如圖6所示，需提前加膠，壁厚由2.5 mm加厚到3 mm，減輕表面縮印。門(mén)內(nèi)飾板上的加強(qiáng)筋是必不可少的結(jié)構(gòu)，能有效增加門(mén)內(nèi)飾板的剛度和強(qiáng)度且無(wú)需大幅增加產(chǎn)品切面面積。合理布置適量的加強(qiáng)筋，不但可以起到支撐門(mén)內(nèi)飾板以保證飾板的感官特性，配合處的間隙和面差。加強(qiáng)筋小端最小厚度一般為0.8 mm，大端為料厚的0.4倍，如圖7所示，保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，加強(qiáng)筋又有一定強(qiáng)度。

圖6 門(mén)內(nèi)飾板Boss柱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖7 門(mén)內(nèi)飾板加強(qiáng)筋

3 門(mén)內(nèi)飾板有限元分析

此門(mén)內(nèi)飾板材料采用 PP材料，屈服強(qiáng)度為21 MPa，彈性模量為1 100 MPa，泊松比為0.3。通過(guò)CATIA三維建模軟件建立門(mén)內(nèi)飾板的三維模型，并將所建立的模型導(dǎo)入到HyperMesh有限元分析軟件中進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，如圖8所示。本次模型單元?jiǎng)澐植捎盟拿骟w網(wǎng)格，其基本尺寸為4 mm，單元總數(shù)為55 347個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為55 230個(gè)。約束此門(mén)內(nèi)飾板所有與鈑金的卡接點(diǎn)的 6個(gè)自由度，并按表2中不同的工況施加相應(yīng)的載荷，再通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行求解，計(jì)算門(mén)內(nèi)飾板在不同工況下的剛度是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖8 門(mén)內(nèi)飾板有限元模型

表2 門(mén)飾板受載工況及合格標(biāo)準(zhǔn)

門(mén)內(nèi)飾板受力情況如圖 9所示，進(jìn)行有限元計(jì)算分析，優(yōu)化前：

圖9 門(mén)內(nèi)飾板受力情況

1.在點(diǎn)1施加101 N的力

從圖10可知，門(mén)飾板在點(diǎn)1施加101 N的力時(shí)，其最大應(yīng)力值為11.43 MPa，最大變形量為7.27 mm，根據(jù)表2，可知門(mén)內(nèi)飾板的最大變形量大于主機(jī)廠的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不符合要求，需做設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖10 點(diǎn)1施加力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

2.在點(diǎn)2施加67 N的力

從圖11可知，在點(diǎn)2施加67 N的力時(shí)，門(mén)飾板最大變形量為1.39 mm，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足要求。

圖11 點(diǎn)2施加力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

3.在點(diǎn)3施加44 N的力

從圖12可知，在點(diǎn)3處施加44 N的力時(shí)，門(mén)飾板的最大變形量為0.73 mm，小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足要求。

圖12 點(diǎn)3施加力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

優(yōu)化后：

針對(duì)點(diǎn)1在101 N的工況下變形量超出目標(biāo)值，在門(mén)內(nèi)飾板上增加加強(qiáng)板，與飾板本體通過(guò)熱熔柱進(jìn)行焊接。由圖13可知，優(yōu)化后的門(mén)內(nèi)飾板的變形量為2.54 mm。滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明優(yōu)化方案有效。

圖13 優(yōu)化后的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

（1）簡(jiǎn)要概述了門(mén)內(nèi)飾板在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，特別是對(duì)其定位策略及安裝方式進(jìn)行了介紹，為后續(xù)車型開(kāi)發(fā)提供相應(yīng)的參考。

（2）針對(duì)門(mén)內(nèi)飾板常見(jiàn)的3種工況，利用常用的有限元分析軟件HyperMesh和ABAQUS進(jìn)行門(mén)內(nèi)飾板的剛度分析，分析結(jié)果表明門(mén)內(nèi)飾板在工況 1下其變形量超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，需在失效點(diǎn)上增加加強(qiáng)板。