車門垂向剛度仿真分析

車門是汽車車身的重要構件。在車門的設計階段，使用傳統的設計方法通常需要進行大量的試驗，這個過程需要耗費大量的人力、物力和時間。隨著有限元方法的發展，我們可以通過計算機有效的模擬仿真分析，對車門的設計及改進提供指導，從而縮短設計周期，節約大量成本。本文以某轎車前車門為例，對車門垂向剛度有限元仿真方法進行說明。

分析目的：

車門是車身設計中十分重要而又相對獨立的一個部件，通過鉸鏈與車身連接從而實現開啟和關閉。車門垂向剛度是車門剛度分析的一項重要指標，車門垂向剛度不足會影響車門開關可靠性，引起車門卡死、關閉力增大，嚴重時會造成漏風、滲水、行駛過程中車門振動及噪聲等問題，這將對乘坐舒適性造成嚴重影響。

車門垂向剛度分析是模擬車門在打開一定角度狀態下，由于人員上下以及人員利用車門支撐身體而產生的垂直載荷作用下，能夠保持一定的抵抗變形的能力，以及卸載后恢復原有形狀的能力。

模型建立：

分析模型包括前車門鈑金總成，鉸鏈以及截取部分與車門相連的白車身。對模型進行網格劃分，建立前車門垂向剛度分析有限元模型。

CAD 模型需要精確的幾何表述，包含很多幾何細節特征。而有限元模型與CAD模型不同，在有限元分析時，為了獲得較好的網格質量、提高求解精度并節約計算時間，可以簡化掉一些對整體力學性能影響較小的幾何特征，如直徑較小的孔、過渡圓角和倒角等。

車門的構件大部分是薄板沖壓件，其長度方向的尺寸遠遠大于厚度方向的尺寸，符合殼單元的理論假設，所以可以盡量采用四邊形殼單元模擬各沖壓構件的結構，并適當使用三角形殼單元過渡；考慮到車門在側碰時焊點脫焊發生的概率較小，采用剛性單元模擬焊點；為更加準確地模擬車門鉸鏈的連接，對其進行實體網格的劃分，同時需要細化車門內板上與鉸鏈連接處的殼體網格，這樣可以提高有限元計算的精度。前車門垂向剛度分析的有限元模型如圖1所示。考慮到計算的穩定性，三角形單元的個數一般要求小于單元總數的5%，尤其是一些主要受力部位，網格劃分時盡量避免三角形單元。車門玻璃和附件等用集中質量單元模擬。

工況設定：

邊界條件：約束車身截面處的所有自由度；約束門鎖處沿開啟方向自由度。

由于前車門一般有兩級開度，為了全面了解前車門的垂向剛度情況，需對每級開度逐一分析，因此可考慮如下三種加載工況：

工況一（車門關閉狀態）：僅施加重力加速度；

工況二（車門一級開啟狀態）：施加重力加速度的同時，在門鎖處施加垂直向下750N的集中載荷，然后卸載；

工況三（車門二級開啟狀態）：施加重力加速度的同時，在門鎖處施加垂直向下750N的集中載荷，然后卸載。

結果討論：

圖2為工況一的前門Z向位移云圖。位移云圖可以方便大家對車門垂向位移進行直觀判斷，從而推算出車門的垂向剛度。

圖3為工況二下的前門應力云圖，應力云圖可以直觀顯示結構中吸收能量最集中的部位，讓我們了解到能量的分布。進而對應力集中的部位進行優化，提高局部剛度從而對車門垂向剛度進行整改。

一般情況下， 車門鉸鏈及其安裝孔附近的加強件對車門垂向剛度較為敏感，也是車門及A柱下部結構優化的主要區域。在優化結構的時候，還需要綜合考慮其它因素，如車門模態、車門側向剛度、車門質量等，尋找最優解決方案，為車門結構的進一步設計、優化以及整車的輕量化設計提供了一定的參考依據。

同捷公司從成立到現在共設計開發了幾百個車型，其中CAE仿真分析是設計過程中極其重要的部分，從設計到優化一直貫穿始終，積累了豐富的工程經驗和數據，能夠為客戶提供滿意的工程解決方案。