某型貨車車門下沉剛度分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

谷同金 張代勝 張愛軍 李楠

摘要：利用Hypermesh軟件對(duì)某貨車車門進(jìn)行有限元建模及下沉剛度仿真分析，得到車門應(yīng)力、應(yīng)變云圖，進(jìn)行該車門的下沉剛度試驗(yàn)，對(duì)比分析仿真結(jié)果和試驗(yàn)所得下沉變形數(shù)據(jù)，提出改進(jìn)措施并計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果表明，車門有限元模型能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度特性，改進(jìn)后的車門滿足車門下沉剛度的要求，該方法為新車門的研發(fā)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車門；下沉剛度；有限元；Hypermesh

中圖分類號(hào)：U463.83+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0036-03

Sag Stiffness Analysis and Improvement Design of Truck Door

GU Tong-jin，ZHANG Dai-sheng，ZHANG Ai-jun，LI Nan

（School of Machinnery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract: Finite element modeling and sag stiffness simulation of truck door were conducted by using Hypermesh software，the stress cloud and strain cloud. Sag stiffness test of the door was carried on，simulation results and experimental data of sag distortion were compared and analyzed.Put forward the improvement measures and computing verification，the results show that the finite element model of the door reflects the actual structure of the stiffness and the improved door meets the requirements of the sag stiffness.The method provides basis for further research and development of new door.

Key words: truck door；sag stiffness；finite element；Hypermesh

車門是車身設(shè)計(jì)中重要而又相對(duì)獨(dú)立的部件，由門體、附件和內(nèi)飾件等組成。作為一個(gè)綜合性的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，車門和駕駛室一起組成乘員的周圍空間，應(yīng)具有良好的振動(dòng)特性及足夠的強(qiáng)度和剛度，滿足車門閉合時(shí)耐沖擊性能和側(cè)碰時(shí)抗碰撞性能［1］。車門承受著來自道路激勵(lì)、駕駛室以及附件的各種載荷作用，傳統(tǒng)分析方法難以進(jìn)行。

本文針對(duì)某型貨車門在使用過程中由于下沉剛度不足造成了漏風(fēng)、滲水、行駛過程中車門振動(dòng)等問題，通過建立車門有限元模型，對(duì)其下沉剛度進(jìn)行了仿真，同時(shí)對(duì)該車門進(jìn)行了下沉剛度試驗(yàn)，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出車門存在的問題，并進(jìn)行改進(jìn)及二次分析，為新車門的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 車門有限元模型

車門有限元模型的構(gòu)建采用Hypermesh軟件，求解器采用OptiStruct軟件，計(jì)算結(jié)果在Hyperview中進(jìn)行后處理。

車門的全部板件采用四邊形和三邊形的板殼單元來模擬，對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕纬蛇m合有限元?jiǎng)澐值暮喕瘞缀文Ｐ汀＞W(wǎng)格密度大小取10 mm，焊點(diǎn)采用spotweld剛性連接方式模擬，螺栓采用rigid單元模擬。車門的有限元模型如圖1所示，單元總數(shù)為36 580個(gè)，四邊形單元數(shù)為35 300個(gè)，三邊形單元數(shù)為1 280個(gè)，其中，三邊形單元數(shù)占單元總數(shù)的3.5%（<10%）［2］。

2 車門有限元?jiǎng)偠确治?/p>

2.1 約束類型及加載方式

工況1約束方式：門鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門鎖處僅dof2=0。

加載條件：車門自重，無其他加載條件。

工況2約束方式：門鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門鎖處僅dof2=0。

加載條件：在門鎖處加載980 N的Z向集中力。

dof1 、dof2、 dof3分別表示X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，dof4、dof5、dof6分別表示X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。加載方式如圖2所示。

2.2 下沉分析與結(jié)果

工況1中，車門只受自重而不受其他載荷作用影響，變形量微乎其微，故本文重點(diǎn)分析討論工況2，車門位移分布云圖及應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

（1） 最大應(yīng)力位于車門內(nèi)板與鉸鏈連接處，應(yīng)力值為388 MPa，此處表現(xiàn)為局部應(yīng)力集中，與鉸鏈約束有關(guān)，而鉸鏈周圍內(nèi)板應(yīng)力多在260 MPa左右。

（2）車門最大垂向位移處在門框右上部，最大Z向變形量為5.31 mm，而只受重力載荷工況下最大位移同樣出現(xiàn)在門框右上部，位移值為0.41 mm。加載工況下車門鎖芯處的Z向變形量為3.92 mm。參考車門下沉剛度一般評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為車門鎖芯處Z向位移量<3.5 mm［3］。顯示此車門剛度不足。

3 車門剛度試驗(yàn)分析

3.1 剛度試驗(yàn)測試方法

為建立車門剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)證有限元?jiǎng)偠确治龅慕Y(jié)果，采用試驗(yàn)法對(duì)該車門進(jìn)行了下沉剛度試驗(yàn)。就車門本體而言，將車門安裝在剛性柱上。在距轉(zhuǎn)軸點(diǎn)990 mm處逐級(jí)施加Z向至100 kg 的載荷，并逐級(jí)卸載，測量車門變形情況并進(jìn)行分析。為保證所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采集三組數(shù)據(jù)取均值。試驗(yàn)車門如圖4所示。

采用分級(jí)加載法，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼逐級(jí)施加/卸載載荷并逐級(jí)測取響應(yīng)信號(hào)，通過位移傳感器將位移響應(yīng)輸入靜態(tài)位移測試儀，再通過DH3816應(yīng)變測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，從而得出車門在各級(jí)加、卸載狀態(tài)下的變形量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

車門剛性柱安裝狀態(tài)下，逐級(jí)加載與卸載時(shí)車門Z向位移見表1，相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成圖5。

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)得知，在加載100 kg狀態(tài)下，車門Z向最大變形量為5.15 mm，而有限元?jiǎng)偠确治鯶向最大變形量為5.31 mm，二者相近，誤差僅為3.1%，表明該模型可以反映車門剛度特性及可以用于進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)分析。

4 改進(jìn)方案與計(jì)算結(jié)果

由于此款車型已經(jīng)上市，車門系統(tǒng)作為駕駛室總成的子系統(tǒng)，不能做大的改動(dòng)，所以在不改變車門部件位置關(guān)系并設(shè)法提高車門下沉剛度的原則下，采取了如下多種試算方案：

a）車門外板厚度由0.8增加至1.0 mm；

b）車門內(nèi)板厚度由0.8增加至1.0 mm；

c）車門內(nèi)板加強(qiáng)板厚度由0.7增至1.2 mm；

d）車窗上框加強(qiáng)板厚度由0.7增加至1.2 mm；

e）側(cè)碰防撞梁厚度由0.7增加至1.2 mm；

f） 防撞梁后支架厚度由0.7增加至1.2 mm；

g）鉸鏈安裝加強(qiáng)板厚度由1.5增加至2.0 mm；

h）內(nèi)板與鉸鏈加強(qiáng)板之間焊點(diǎn)數(shù)增加8個(gè)。

改進(jìn)效果如表2所示。

由表2可知，改變車門內(nèi)板、車門內(nèi)板加強(qiáng)板、側(cè)碰防撞梁及防撞梁后支架的厚度對(duì)車門下沉剛度的改善效果不明顯。而改變車門外板的厚度對(duì)下沉剛度的改善效果較為明顯，但車門外板厚度的改變又會(huì)帶來其他問題，比如車門質(zhì)量的增加不利于輕量化設(shè)計(jì)，大板件厚度的改變增加沖壓成型的難度等［4］。因此，增加鉸鏈安裝加強(qiáng)板、車窗上框加強(qiáng)板厚度以及適當(dāng)增加內(nèi)板與鉸鏈安裝加強(qiáng)板之間增加焊點(diǎn)數(shù)可以作為改善車門下沉剛度的優(yōu)先選擇。基于上述比較，本文采用方案d、g、h，經(jīng)過計(jì)算，車門最大Z向下沉量由5.31 mm降為3.87 mm，車門鎖芯處為2.83 mm，滿足車門下沉剛度要求，另一方面，車門結(jié)構(gòu)應(yīng)力也得到改善，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在車門內(nèi)板與鉸鏈連接處，由388 MPa降為223 MPa。

5 結(jié)束語

車門下沉剛度的計(jì)算與分析是車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的重要環(huán)節(jié)，車門下沉剛度也是車門剛度設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一［5］。本文通過有限元法對(duì)某型貨車車門進(jìn)行下沉剛度分析，并通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，基于分析結(jié)果提出了切實(shí)可行的改進(jìn)方案，為車門的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

廣義車門系統(tǒng)包括車門本體、車門鉸鏈、車門鎖及車身門框等。在載荷作用下除了車門本身變形外，車身門框變形也會(huì)影響到車門的密封性等。因此，完整的車門分析應(yīng)包括車門及車身門框變形，這一問題將另文討論。

參考文獻(xiàn)：

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