乘用車車門靜態剛度的有限元分析

付景順，宋 萌，趙 昕

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870）

乘用車車門靜態剛度的有限元分析

付景順，宋 萌，趙 昕

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870）

以某款乘用車的前車門為例，應用CATIA軟件建立前車門的三維幾何模型，利用有限元理論與方法在Hypermesh中進行模型的簡化和網格劃分，利用Hypermesh和MSC.Nastran的接口，在MSC.Nastran中對前車門進行垂向剛度和扭轉剛度分析，得到車門的Z向和Y向位移圖。仿真結果表明，該車門第一階自由模態和垂向剛度在正常范圍內，扭轉剛度不足，需要對剛度過小部分進行改進，以便對車門的最初設計及改進提供參考。

有限元；前車門；靜態剛度

引言

車門是車身設計中非常重要，又相對獨立的部件，由門外板、門內板、門窗框、門玻璃導槽、門鉸鏈、門鎖及門窗附件等組成。作為一個綜合性的轉動部件，車門和駕駛室一起形成乘員的生存空間，當車門閉合時，應具有良好的振動特性，足夠的強度和剛度，耐沖擊性能以及側碰時的抗碰撞特性[1]。車門剛度不足往往會使車門卡死、密封不嚴而導致的漏風、滲水等現象引起的車門變形量過大，還會產生車門的振動，帶來噪聲，降低乘坐車輛的舒適性，容易導致車門內部結構部件的疲勞損壞。但是剛度過大又會使車輛發生側向碰撞時車門不能有效吸收碰撞能量，產生較大的碰撞界面力和碰撞加速度等問題，對乘員造成較大傷害[2]。因此，在設計車門時必須注意將車門的變形量控制在一定的范圍內，即車門必須有一個合適的剛度和強度，同時在車門的制造過程中，車門工藝性好，易于車門附件的安裝，外形與整車達到協調統一[3]。

在我們對乘用車車門進行設計的初級階段，需要運用一些方法將傳統的設計理念反復全面的進行論證試驗，最終的目的是為了找出當前分析車門的有關結構和附件存在的不足之處，從而不斷的進行改進和提高，確保能達到預期的效果。在此過程中還要按照結構的要求和一些條件的限制，需要針對改進的設計反復不斷的試驗，如有結構不符合條件，需要再次改進并再次試驗。隨著計算機模擬仿真技術的不斷發展和提高，采用有限元（FEM）分析的理論和方法，模擬的計算結果精度和效率都比較高，這樣就可以為車門的初始設計、結構改進提供有力地數據參考依據[4]。

本文針對某款乘用車的前車門，應用有限元方法分析研究了該車門的第一階自由模態、垂向剛度和扭轉剛度。通過仿真分析前車門受力產生的變形，研究發現，前車門靜態剛度不足和需要結構改進的薄弱部位，為車門的初步設計改進提供參考依據。

1 建立前車門有限元模型

1.1 三維模型的建立

在進行有限元分析前，采取IGES格式進行保存的車門三維幾何模型在CATIA軟件中建立，在Hypermesh軟件環境中對該模型進行簡化和網格劃分。首先要對導入的三維模型進行幾何清理，清除不必要的細節，最終形成一個簡化的模型，在此過程中一些因素會導致網格單元尺寸劃分的過小，求解的時間延長，改變了求解的精確度，如微小的孔、細小的倒角等典型的幾何特征[5]。

車門結構整體是復雜的，一般包括門外板、門內板、門窗框、門玻璃導槽、玻璃導軌加強支架、上下鉸鏈加強件、轉動鉸鏈、門鉸鏈、門鎖、各種結構加強板部件及門窗附件等機構。玻璃升降器、門鎖配件等安裝在車門內板上；防撞桿經過防撞桿的支撐架安裝在車門外板的內側，下部安裝有窗框加強板。為了消除應力集中，增加強度，車門內、外板局部均通過安裝內板的加強板和外板的加強板來增加強度。內板與外板由翻邊、粘結、滾焊等工藝連接處理在一起，構成一個整體的受力結構[6]。利用CATIA軟件繪制前車門三維幾何有限元模型，主要繪制的部件包括門內板、門外板、增強板部件、防撞桿和其固定板和密封條導軌等。

本文分析的車門質量為18.42 kg，表1列出了車門主要結構部件的相關參數。整個車門使用統一的材料普通冷軋鋼ST12，材料性能參數如表2所示。

1.2 建立有限元模型

根據車門幾何特征，車門所有金屬板材成形板金件均采用三節點三角形和四邊形殼單元劃分，使用公共節點連接方式模擬車門內、外板的包邊，模擬各焊接零部件之間的連接用spotweld單元剛性連接的方式，50 mm的焊縫平均間距，用螺栓固定連接的部分是rigid單元模擬，用rbe2單元把門鎖處和螺紋孔處進行連接，連接是剛性的，其余各類板金件的連接用cweld單元模擬。車門鉸鏈為了達到更準確地模擬連接，需要對建好的模型進行實體網格劃分，同時車門的殼體網格還要被細化，尤其是在上下鉸鏈連接處，有限元求解的精度可以大大提高[7]。在Hypermesh軟件環境中建立前車門的三維幾何有限元模型，見圖1。離散完的車門模型中單元總數3 332個，四邊形殼單元共3 166個，三角形的殼單元共166個，其中，三角形殼單元的數量占單元總數的4.98 % （<10 %）[8]。

表1 車門主要結構部件參數

表2 材料性能參數

2 車門靜態剛度性能分析與計算

圖1 Hypermesh中車門三維有限元模型

現在將離散后的車門有限元模型在MSC.Nastran軟件環境中分析，計算車門的垂向剛度和扭轉剛度，用HyperView軟件查看計算完的求解結果。

2.1 車門剛度性能分析工況

依據設計初期對車門結構特征和剛度性能要求，按照國家有關強制性的車門技術標準，參照FMVSS標準，確定車門動靜態剛度分析工況和評價標準[9-10]。即垂向剛度，鎖芯口處施加Z向900 N載荷（包含車門重力在內）工況時，評價標準為車門鎖芯口處的Z向位移量小于3.5 mm，普通冷軋鋼ST12 的屈服應力375 MPa。

2.2 分析車門自由模態

對車門不施加任何約束和載荷的工況條件下，進行自由模態分析，求解該車門模型的第一階自由模態，值為31.4 Hz，在正常范圍內。

2.3 分析車門垂向剛度

參照國家標準（規定的乘員體重），施加900 N垂直向下的載荷在車門把手處，白車身連接處與上下鉸鏈的6個自由度全部約束，旋轉的部分約束沿X、Y和Z方向的平動、Y和Z方向的轉動，在門鎖處約束X和Y方向的平動自由度。在垂向剛度分析工況中的車門Z向位移如圖2所示，位移測量點（車門鎖口處）在垂向剛度分析工況條件下的Z向位移值為2.43 mm，即車門的垂向剛度為302 N/mm。滿足評價標準（車門鎖芯口處的Z向位移量小于3.5 mm），在正常范圍內。

2.4 分析車門扭轉剛度

車門扭轉剛度的分析，同時考慮到在車門前端（相對于車身周圍來說）的剛度要大于車門后端的剛度，除繞Z軸轉動，其余部分約束車門鉸鏈處的5個自由度，在門鎖處約束3個平移自由度。后端的車門內板下角被施加183 N的節點力，方向為Y向。通過MSC.Nastran的求解，得到車門的Y向位移圖，如圖3所示。求解得，在車門框發生較大位移，最大Y向變形量為3.926 mm，即車門的扭轉剛度為79 N/mm，扭轉剛度不足。車門扭轉剛度不足，將導致車門框產生較大變形量，在行駛時會引起車門抖動，也會影響車門的密封性和降噪能力，需要改進剛度過小的結構部位，從而使車門滿足剛度要求。

2.5 分析結果

將上面理論求解的結果，結合國內外幾款大眾車型的車門性能參數的平均值進行相應的對比分析，車門的第一階自由模態和垂向剛度值均在合理范圍內，而扭轉剛度相對過小。從扭轉剛度分析的位移結果看出，如果在前車門門框的邊緣處施加載荷，變形量較大，扭轉剛度不足，需要對剛度過小部分進行結構改進。

3 總結

圖2 垂向剛度工況中的車門Z向位移

圖3 扭轉剛度分析工況中的車門Y向位移

汽車車門的靜態性能和動態性能是衡量車門綜合質量的兩個非常重要的指標。車門的剛度指標和強度指標主要由靜態性能來進行分析；車門的動態性能主要代表車門抵抗常規振動的能力，是一種低階模態。本文對處在最初設計階段的某款乘用車的前車門采取有限元分析的理論與方法進行剛度分析，為檢測車門的裝配質量提供了必要的參考依據，對車門整體結構的全面改進和車門剛度和強度的增強具有一定的指導意義，同時也會促進車門新結構的研發。當然，在進行試驗和理論分析的同時，最關鍵的就是進行實體檢測和碰撞試驗，在后續的設計過程中不可或缺。當前汽車設計領域的方式手段不斷創新，在實際的生產制造過程中，如果能將本文中分析的有限元理論和后續的實體相關試驗相結合，在大大縮短整車的設計周期的同時，也能降低設計的成本，控制預算。

［1］黃金陵.汽車車身設計［M］.北京：機械工業出版社，2008：279-289.

［2］郝琪，張繼偉.基于數值模擬的轎車車門靜態性能綜合評價及模態分析［J］.機械設計與制造，2008（11）：247-249.

［3］黃天澤，黃金陵.汽車車身結構與設計［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［4］劉吉明，雷剛，廖林清，等.車門靜態剛度的有限元分析［J］.重慶工學院學報，2008，22（9）： 25-27.

［5］欒文哲，尉慶國.基于HyperWorks的某轎車前車門下沉剛度的改進設計［J］.機械，2013，3： 006.

［6］王增武，靳曉雄，何劍鋒.基于有限元某轎車左前門的模態剛度分析［J］.佳木斯大學學報： 自然科學版，2011，29（5）： 680-683.

［7］韋勇，李佳，成艾國.基于有限元法的轎車后門剛度分析［J］.機械工程師，2010，8： 75-77.

［8］譚繼錦，張代勝.汽車結構有限元分析［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［9］解躍青，雷雨成.汽車前車門結構性能的計算機輔助分析與研究［J］.機械強度，2002，24（5）： 539-542.

［10］杜理平，廖君.應用CAE計算機輔助技術分析汽車前門的剛度［J］.裝配制造技術，2009，（8）：18-19.

宋萌（1988.07-），男（漢族），山西，碩士研究生，研究方向為車輛的智能監測與維修。

趙昕（1988.05-），女（漢族），遼寧，博士研究生，研究方向為機械動力學分析。

FEM Analysis of Vehicle Door’s Static Stiffness

FU Jing-shun，SONG Meng，ZHAO Xin
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870）

Taking a front door of a passenger car as an example，a 3D model of vehicle door was conducted by using CATIA software.Finite Element theory and method is derived for the predigestion and mesh of the model by using Hypermesh software.Vertical stiffness and torsional stiffness of the vehicle door are analyzed by using the Hypermesh and MSC.Nastran interface.The vehicle door’s Z displacement map and Y displacement cloud are obtained.The statistic analysis shows that the first-order free mode and vertical stiffness are in the normal range，the torsional stiffness of the vehicle door was inadequate.The inadequate torsional stiffness section is needed to improve.The study results provide a reference for originally designs and improvement for vehicle door.

finite element method；vehicle door；static stiffness

U463.821

A

1004-7204（2015）06-0027-04

付景順（1963-），男（漢族），遼寧，教授，工學博士，研究方向為車輛安全、車輛智能監測與故障診斷。