基于有限元法的轎車車門預變形仿真分析

崔新濤 張兵

（天津一汽夏利汽車股份有限公司）

在車身設計時，車身總成三維數模中的車門，表征的是車門關閉并且受密封膠條壓縮反力變形后的狀態，而在實際制造車門分總成時，需要按照變形前車門的數模進行沖壓和裝焊。車門預變形分析的幾何精度直接影響車門的密封、外觀尺寸面差及車門關閉力等多個性能[1]。目前車門預變形分析大多是依靠經驗方法，先給車門窗框處變形量設定一個固定的經驗值，然后樣條插值得到整個車門的預變形，該方法無法考慮車門實際的剛度分布以及密封膠條壓縮力的大小，不能得到車門各個位置準確的預變形量。文章提出了基于有限元方法的轎車車門預變形仿真分析方法，利用沿著密封膠條發泡中心線離散分布的彈簧單元模擬密封膠條的剛度，使用彈簧單元約束端施加強迫位移的方法模擬密封膠條壓縮力，用有限元方法計算得到整個車門的位移分布。以某轎車前車門為例，分析了密封膠條剛度、數量及車門剛度對車門預變形的影響。

1 車門預變形仿真分析方法

轎車車門預變形分析是指在車門關閉狀態下的設計三維數模基礎上，考慮密封膠條反力使車門發生變形的影響，反推得到車門總成在變形前的制造三維數模的過程[2]。圖1示出某轎車前車門分總成及密封膠條示意圖，其中坐標系為整車坐標系，即x向為整車前后方向，y向為整車左右方向，z向為整車上下方向。該車門有主密封膠條和副密封膠條2圈。當車門關閉時，密封膠條的發泡被壓縮并與鈑金緊密貼合，從而起到密封的作用，而車門會受到密封膠條作用的壓縮反力發生變形。

用單自由度零長度的彈簧單元模擬密封膠條。先抽取密封膠條發泡的中心線，然后沿中心線離散分布n個彈簧單元。每個彈簧單元有2個節點，其中一個節點與車門連接，另一個節點施加y向平動約束。利用CAE前處理軟件HyperMesh，可以方便快捷地建立彈簧單元。

模擬密封膠條的彈簧單元剛度可由式（1）計算：

式中：K0——彈簧單元剛度，N/mm；

L——密封膠條總長度，mm；

K——密封膠條每100 mm的剛度，N/mm；

n——彈簧單元的數量。

車門關閉時，密封膠條的發泡主要受y向壓力并發生壓縮，因此在彈簧單元的約束端節點上施加y向強迫位移模擬密封膠條壓縮力，強迫位移數值為發泡的壓縮量。

建立前車門預變形仿真分析的有限元模型，如圖2所示。使用長度為5 mm的殼單元對車門鈑金件進行離散，使用CWELD單元模擬點焊，RBE3和體單元模擬車門減振膠。模型包括車門鈑金、車門鉸鏈及密封膠條。在車門鉸鏈與車身A柱連接部位約束所有平動與轉動自由度，在車門鎖處約束3個平動自由度，在模擬密封膠條的彈簧單元約束端施加y向強迫位移，利用有限元計算得到車門的預變形量。

2 仿真結果與分析

不同車型的車門在設計時，其密封膠條的剛度、數量及車門的剛度3個因素各不相同，文章以某轎車前車門為例，對比分析上述因素對車門預變形量的影響。

2.1 密封膠條剛度的影響

密封膠條的剛度由密封條的材料、截面形狀及壓縮量等因素共同決定，密封膠條的剛度一般在設計初期按照一定的范圍定義。假定只有主密封條，此車門密封膠條的發泡壓縮量為4.9 mm。主密封膠條總長度為3 459 mm，彈簧單元間隔為20 mm，使用173個彈簧單元模擬密封膠條。分別計算每100 mm密封膠條剛度為2.25，3.50 N/mm時的車門預變形。根據式（1）計算得到2種密封膠條剛度時的彈簧單元剛度分別為0.450，0.700 N/mm。利用圖2建立的車門有限元模型進行計算，得到車門的預變形分布，如圖3所示。

從圖3可以看出，該前車門最大預變形量位于窗框中部，窗框以下結構的變形量很小；主密封膠條剛度為2.25，3.50 N/mm時的車門預變形分布模式雖然相同，但兩者最大預變形量不同，分別為1.67，2.50 mm，并且車門各部位的預變形量也不同。

2.2 密封膠條數量的影響

一般的，A級以上級別的轎車車門使用主副兩道密封膠條，而低端轎車受成本壓力僅使用一道主密封膠條。

在2.1節主密封膠條計算的基礎上，增加1道副密封膠條，其位置如圖1所示。假定主副密封膠條剛度為2.25N/mm，副密封膠條總長度為3663mm，使用185個彈簧單元離散，則根據式（1）計算得到每個彈簧單元的剛度為0.446N/mm。計算得到車門預變形分布，如圖4所示。

對比圖3和圖4可知，增加副密封條后，對車門整體的預變形量影響較大，最大預變形量從1.67 mm增加為2.87 mm，實際設計時往往需要增加車門剛度。

2.3 車門剛度的影響

車門及窗框的結構形式對車門剛度影響較大，為研究車門剛度對預變形量的影響，采用改變窗框鈑金厚度的方法改變車門的剛度。該前門窗框鈑金的厚度為0.8 mm，在2.2節計算模型的基礎上，將窗框板件厚度增加至1.0mm，計算得到的車門預變形分布，如圖5所示。

對比圖4和圖5可知，車門剛度增加后，車門最大預變形量從2.87 mm減小為2.58 mm，表明車門預變形量隨車門剛度的增加而減小。

3 結論

1）不同的轎車車門由于密封膠條剛度、數量及車門剛度不同，車門的預變形量不同，在車門窗框處設定固定的變形量的傳統經驗方法是不準確的；

2）相對于傳統經驗方法，基于有限元仿真的預變形分析方法，能得到車門各個部位的預變形分布及較準確的預變形量，從而提高車門變形前制造數模的幾何精度。