某SUV左前車門靜態剛度的有限元分析

許佳斌， 張瑞乾， 曹國棟

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京100192）

0 引言

車門作為車身結構的重要組成部件，其通過鉸鏈與車身連接，與車身一起為乘客提供安全的乘坐空間。車門主要由車門外板、車門內板、窗框加強板、門鎖加強板、鉸鏈安裝板、防撞桿和鉸鏈等組成［1］。車門剛度是車門設計中的重要參數之一，直接影響整車的舒適性和安全性［2-3］。因此，在汽車開發設計階段，應根據試驗數據對車門結構中存在的問題進行優化處理，從而提高產品整體的質量和性能。

本文利用有限元方法，通過計算機仿真對某款SUV前車門的模態、下沉剛度、扭轉剛度進行了分析與計算，發現車門結構設計中存在的問題，為提高車門性能提供了參考依據。

1 建立車門有限元模型

首先，在CATIA軟件中，根據車門的設計尺寸建立車門的三維幾何模型，如圖1所示，然后導入到有限元分析軟件HyperMesh中進行幾何修復，對于車門結構的變形和應力分布影響很小的某些功能件和非主要承載件進行模型的簡化，如忽略直徑小于16 mm的圓孔、半徑小于5 mm的過渡圓角和倒角，以此獲得較好的網格質量，提高求解精度。前車門所有薄板沖壓成型件均采用四邊形Quads和三節點三角形Trias殼單元，單元尺寸控制在4～17 mm，平均單元尺寸控制在10 mm，殼單元共14 749個，三角形單元1 025個，占6.95%（<8%）；采用剛性的RBE2單元模擬焊點，weld焊點共87個，同時用Rigid模擬螺栓連接，剛性連接點共145個，最后定義各零件的材料屬性［4］。建立的車門有限元模型如圖2所示。

圖1 車門三維CAD模型

圖2 車門有限元模型

2 車門靜態剛度有限元分析

2.1 車門自由模態分析

左前車門作為整車中非常重要的一個結構部件，在設計時，其一階固有頻率應該避開道路激勵頻率、傳動軸激勵頻率以及發動機激勵頻率，從而避免發生共振，產生振動噪聲，影響乘員舒適性。

對車門進行自由模態分析時，車門處于無約束和無加載工況，求解得到前4階自由模態固有頻率和振型，如表1所示。

表1 車門模態計算結果

從分析得到結果看，第一階模態僅有23.4 Hz，頻率值偏低，為避免共振現象應該進行改進。

2.2 車門下沉剛度分析

由于對車門剛度的評價沒有相應的標準法規，所以在對該車車門的下沉剛度分析中，需要參考典型車車門的特征值來判斷其下沉剛度是否滿足要求。參照實驗規定要求，車門除受重力外，在車門內側把手處施加1000N垂直向下的載荷，并在車門鉸鏈處進行全約束，對車門開啟15°和68°兩種工況進行分析，分析結果如圖3、圖4所示。

分析得出加載點在車門開啟15°和68°時，殘余變形分別為4.0mm和2.76mm；最大變形為11.2mm和9.1mm，而一般對車門的下沉要求是小于2 mm，表明該車門的下沉剛度較差。由應力云圖可知，引起殘余變形的主要原因是車身前門鉸鏈安裝位置的塑性變形。

2.3 車門扭轉剛度分析

結合車門的結構特點及技術要求，考慮到車門前端的剛度要大于后端的剛度，從而確定計算車門扭轉剛度的約束和加載方式:約束方式均為車門鉸鏈處，Dx=0、Dy=0、Dz=0，Rx=0、Ry=0；門鎖處，Dx=0、Dy=0，Dz=0；加載方式為：

圖3 車門加載點位移

圖4 車門鉸鏈安裝位置應力云圖

工況1：在車門內板右上角施加大小為183 N的Y向節點力；

工況2：在車門內板右下角施加大小為183 N的Y向節點力。

兩種工況的Y向位移云圖如圖5所示，Y向位移分別為6.32 mm和0.82 mm，由工況1、2下的最大位移量計算，得到扭轉剛度分別為29 N/mm和223 N/mm。

圖5 兩種工況下Y向位移云圖

3 結語

在車門的結構設計中，車門剛度是車門設計的重要性能參數之一，是車門性能的主要評價指標。車門的結構性能要求除了要有必要的開度、密封性、工藝性好外，最重要的是要安全可靠，滿足剛度、強度以及小的振動性能的要求。本文利用有限元方法，對某款SUV前車門的靜態剛度進行了分析計算，發現該車門在其結構設計中存在缺陷，這對車門今后的改進具有一定的指導意義。

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