基于有限元分析的某越野車車門改進(jìn)設(shè)計(jì)

周紅妮， 張繼偉

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程系，湖北十堰442002）

1 引言

汽車車門在使用過程中有時(shí)會出現(xiàn)密封不嚴(yán)、卡死、噪聲大等現(xiàn)象，大多數(shù)是由于在車門設(shè)計(jì)中剛度不足所造成。因此，在車門設(shè)計(jì)過程中，其應(yīng)力和變形都應(yīng)限定在一定范圍之內(nèi)，使車門具備足夠的強(qiáng)度和剛度。

有限元分析方法是現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)中的一種主要方法和必要環(huán)節(jié)。在某越野車車門試制階段，針對車門扭轉(zhuǎn)剛度存在的問題，對其進(jìn)行了局部加強(qiáng)改進(jìn)。為驗(yàn)證改進(jìn)方案，本文基于有限元分析軟件HYPERWORKS，對車門改進(jìn)前、后扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，以確定改進(jìn)方案是否提高了車門扭轉(zhuǎn)剛度。

2 車門改進(jìn)方案的提出

圖1 車門基本結(jié)構(gòu)圖

2.1 車門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了適應(yīng)客戶對車輛多種用途的需求，該越野車的車門在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是上下分體式結(jié)構(gòu)：即車門在車身腰線以上的部分設(shè)計(jì)為可拆開的結(jié)構(gòu)；上半部分通過3根導(dǎo)向桿和前后兩個(gè)連接板與下半部分通過螺栓進(jìn)行連接（見圖1）。此種結(jié)構(gòu)的車門通過拆卸10個(gè)連接螺栓，可以實(shí)現(xiàn)車門上下兩部分的分離，下半部分可以單獨(dú)作為車門進(jìn)行使用。

2.2 車門存在的問題

在車門試制轉(zhuǎn)批量、車門板件開模期間，由于沖壓工藝需要，對車門拉延深度較大的地方進(jìn)行了圓角加大處理，使得試制車門局部結(jié)構(gòu)與量產(chǎn)時(shí)車門結(jié)構(gòu)有所不同：下半截車門內(nèi)板圓角由原來的R11改為R36；由于圓角的變化，后連接板受門鎖安裝位置影響，由“I”型更改為“L”型，如圖 2（a）與圖 2（b）所示。

車門板件全部模具化以后，在整車PT試制階段，通過VES評審，發(fā)現(xiàn)車門存在以下問題：車門在關(guān)閉時(shí)，上半部分出現(xiàn)晃動；車門上端與門框出現(xiàn)面差；淋雨試驗(yàn)時(shí)車門漏水。

圖2 開模前后局部結(jié)構(gòu)對比

2.3 改進(jìn)方案的提出

經(jīng)初步分析，車門剛度可能不夠，導(dǎo)致車門上半部分晃動；在車門關(guān)閉后，受車門密封條反力，上端出現(xiàn)面差，從而無法保證車門的密封。由于此時(shí)整車即將進(jìn)入量產(chǎn)階段，解決車門剛性的問題迫在眉睫。而且車門板件所有零件的模具都已完成，如何在盡量不改變現(xiàn)有零件的基礎(chǔ)上提升車門上半部分的剛度，成為了一個(gè)亟待攻克的難題。

通過對車門上半部分結(jié)構(gòu)的分析可知：上半截車門的框體部分整體剛性較好，上半部分與下半部分的連接主要依靠3根導(dǎo)向桿和前后兩個(gè)連接板，對加強(qiáng)導(dǎo)向桿與框體連接部位進(jìn)行加強(qiáng)，應(yīng)該能夠提高車門上半部分的剛性。根據(jù)這個(gè)思路，提出了以下改進(jìn)方案：在導(dǎo)向桿與框體連接的根部增加了一個(gè)加強(qiáng)板，加強(qiáng)板在與導(dǎo)向桿連接的部位增加翻邊，更改方式見圖3所示。

圖3 加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)圖

為了從理論上分析改進(jìn)后的效果，這里將借助有限元分析軟件HYPERWORKS對改進(jìn)前、后的車門扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比與分析。

3 有限元模型建立

3.1 主要部件及材料

本文主要對車門設(shè)計(jì)改進(jìn)前后作對比分析，同時(shí)車門的主要承載是依靠車門板件，因此可以將一些車門附件如：車窗、門鎖、內(nèi)外開手柄、桿件、密封條等零件不納入分析對象，而僅僅將車門板件總成作為分析對象。車門板件總成主要有：車門內(nèi)外板（分上下）、外板加強(qiáng)梁、下加強(qiáng)板、導(dǎo)向桿及加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板及前后連接板等。

車門板件的材料均采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08Al，彈性模量E為2.1×105MPa，材料密度為7800kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為240MPa。車門板件的總質(zhì)量為15.6kg。

3.2 有限元模型

車門板件的幾何模型主要來自開模時(shí)三維模型，在UniGraphics中建立，通過UG轉(zhuǎn)換功能，以iges格式導(dǎo)入到HYPERWORKS中，根據(jù)后期計(jì)算的需要，導(dǎo)入前應(yīng)先將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成片體模型。

整個(gè)車門板件總成由大量的薄壁沖壓件組成，存在大量的過渡圓角、孔洞和凸臺；在有限元建模時(shí)，這些小的細(xì)節(jié)會影響單元質(zhì)量，并增加運(yùn)算量，因此，需要對模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行處理。對于小于5mm的圓角及倒角、半徑小于10mm圓孔等細(xì)節(jié)在模型處理時(shí)均被忽略［1］。在細(xì)節(jié)處理完成后，再將所有零件導(dǎo)入HYPERWORKS進(jìn)行裝配，形成車門總成。

由于車門板件均為復(fù)雜面形成的薄板零件，因此采用殼單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散（網(wǎng)格劃分），主體為平面四邊形單元［1］。以平面四邊形單元網(wǎng)格優(yōu)先劃分，為盡量提高計(jì)算精度，盡量控制平面三角形單元網(wǎng)格。在車門內(nèi)、外板邊框處的包邊，并采用厚度為3mm的殼單元模擬。模型的統(tǒng)計(jì)信息見表1。車門模型網(wǎng)格劃分外視圖見圖4所示，內(nèi)視圖見圖5所示。

表1 模型統(tǒng)計(jì)信息

圖4 車門模型外視圖

圖5 車門模型內(nèi)視圖

3.3 焊點(diǎn)及螺栓的模擬

車門板件總成在網(wǎng)格劃分完成后，需要將各個(gè)零件之間的關(guān)系建立起來，這就需要在模型中對零件的焊點(diǎn)和螺栓連接進(jìn)行模擬。在工程軟件HYPERWORKS中，對焊點(diǎn)采用了剛性單元連接進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際焊點(diǎn)的位置及數(shù)量（焊點(diǎn)間距平均為50mm），建立對各個(gè)零件“焊接”關(guān)系。對于螺栓連接部位，除采用剛性單元連接外，還應(yīng)考慮螺栓連接處的應(yīng)力集中問題。為使該處及周圍的應(yīng)力盡量分布均勻，在有限元建模時(shí)，將車門鉸鏈螺栓孔連接處及周圍材料連接處的焊點(diǎn)密度加大，可改變此處焊點(diǎn)間平均距離為 20mm［1］。

3.4 鉸鏈及門鎖的模擬

因鉸鏈和門鎖不包括在車門模型中，需要對其進(jìn)行簡化。在車門鉸鏈和門鎖的螺栓安裝位置使用了剛性單元連接，剛性連接結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，邊緣的節(jié)點(diǎn)依靠于中心的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)并具有6個(gè)自由度約束，它們之間沒有相對位移，這是在螺栓和內(nèi)板及加強(qiáng)板之間的簡化模擬。這樣螺栓被視為剛度大于板件的剛性體［1］。

3.5 約束與加載方式

結(jié)合車門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并參照文獻(xiàn)［2］的研究成果［1］，確定車門扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算的約束和加載方式，選定三種工況來對改進(jìn)前、后車門扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行計(jì)算及分析（車門內(nèi)板右下角處距離鉸鏈位置過近，未考慮作評價(jià)）。約束與加載方式詳見表2與圖6所示。

表2 約束和加載方式

圖6 三種工況受力點(diǎn)位置

4 車門扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析

采用有限元分析軟件HYPERWORKS中的OPTISTRUCT模塊，對改進(jìn)前、后車門扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行計(jì)算。三種工況下車門的最大變形分別出現(xiàn)在車門的左上角、右上角和右下角。改進(jìn)前、后三種工況下車門的最大變形如圖7和圖8所示。改進(jìn)前、后三種工況下車門的最大位移、扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果的比較，如表3所示。

圖7 改進(jìn)前車門的變形圖

圖8 改進(jìn)后車門的變形圖

表3 改進(jìn)前、后結(jié)果的比較

通過對比分析結(jié)果，可以看出在對車門上窗框與導(dǎo)向桿連接處進(jìn)行局部加強(qiáng)后，節(jié)點(diǎn)最大位移都有不同程度的減小，且前兩種工況下車門的扭轉(zhuǎn)剛度得到了明顯的提升，第三種工況下則不是很明顯。但綜合來說，改進(jìn)后的效果還是比較明顯的。且經(jīng)對該改進(jìn)方案進(jìn)行試制驗(yàn)證，表明此方案確實(shí)切實(shí)有效地提高了車門扭轉(zhuǎn)剛度，成功解決了車門在量產(chǎn)后可能出現(xiàn)的晃動、漏風(fēng)、漏水等質(zhì)量問題。該改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)最終在車門批量生產(chǎn)中得到實(shí)施。

5 結(jié)論

本文針對某越野車車門扭轉(zhuǎn)剛度不足的問題，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。利用HYPERWORKS軟件，建立了車門總成有限元分析模型，對不同工況下車門改進(jìn)前、后扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比與分析，結(jié)論如下：

（1）開模后車門局部結(jié)構(gòu)有所變化，車門前后連接板結(jié)構(gòu)更改（前為“I”型；后為“L”型），合理的設(shè)計(jì)上下部分連接板對整體剛度可能有較大影響。

（2）車門的承力點(diǎn)鉸鏈、門鎖均在下半部分，上半截窗框沒有這樣的支撐點(diǎn)，上半截窗框部位的剛度明顯比下部要低很多，因此在設(shè)計(jì)上下部分連接時(shí)，需要盡量提高窗框根部連接的剛度、強(qiáng)度，故根據(jù)實(shí)際情況，在導(dǎo)向桿與框體連接的根部增加了一個(gè)加強(qiáng)板。

（3）對比三種工況下車門改進(jìn)前、后扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果，綜合來說改進(jìn)后車門的扭轉(zhuǎn)剛度得到較為明顯的提升，為改進(jìn)方案的確定提供了理論依據(jù)。

（4）經(jīng)對該改進(jìn)方案進(jìn)行試制驗(yàn)證，表明此方案切實(shí)有效地提高了車門扭轉(zhuǎn)剛度。

［1］ 張繼偉，馬迅，郝琪.基于計(jì)算機(jī)模擬的車門扭轉(zhuǎn)剛度的分析及評價(jià)［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21（2）：5-7.

［2］ OPBROEK E.Ultralight steel auto closures project［R］.SAE，982308.

［3］ 郝琪.基于計(jì)算機(jī)模擬的車門下沉剛度改進(jìn)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（2）：7-10.

［4］ 馬迅.輕型客車結(jié)構(gòu)剛度與模態(tài)的有限元分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（1）：86-88.

［5］ 葉德濤.FEM技術(shù)用于車門設(shè)計(jì)的研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2006，33（4）：18-19.