車門內板側面碰撞的耐撞性有限元分析與輕量化設計

謝茂青，王雷剛

(浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311103)

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車門內板側面碰撞的耐撞性有限元分析與輕量化設計

謝茂青，王雷剛

(浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311103)

建立了汽車車門側面碰撞的簡化有限元仿真模型，通過仿真實驗對汽車車門內板、剛性柱的側面碰撞進行研究，得出車門內板結構的應力參數、等效應變參數，準確評估了車門的碰撞性。結合仿真模型研究結果，從內板選材的角度開展車門輕量化研究，將鋼板材料的車門內板替換為鋁合金材料。重新調整車門內板的厚度，優選基于各種車門內板的輕量化方案，分析比對不同輕量化方案進行碰撞仿真試驗后的結果，從而實現設計方案的最優化。增強汽車內門側面碰撞的安全程度，達到內板輕量化的目的。

車門內板耐撞性；有限元分析；輕量化設計；鋁合金材料

汽車側面碰撞是比較常見的碰撞事故，發生率較高,如圖1的統計數據。在汽車側面碰撞的過程中，車門內板與乘坐人員的緩沖間距僅為20～30 cm，再加上車門空間本身有限，根本不能通過結構變形的方式吸收掉碰撞能量。在側面碰撞過程中，車門內板的入侵距離、速度是導致乘坐人員受傷的關鍵因素，所以提升和改善汽車車門安全性能時，必須要對上述兩大因素進行處理和解決，盡可能地降低入侵速度及距離。

本文對所選車型車門進行碰撞安全性和輕量化兩方面的研究。針對汽車車門結構建立有限元模型，進行模擬仿真分析，獲取試驗所得的車門耐撞性能，確定相應參數值，即原車門的內板最大侵入量[1]。然后采用輕量化材料5 182鋁合金作為車門門板材料，該材料具有較高的強度，在仿真實驗中分別對照各種車門厚度的耐撞性能，從而為車門輕量化設計提供依據。在車門內板碰撞試驗中，結合各種材料車門的參數能夠為原車門內板選擇最合適的厚度，以實現車身輕量化的目的[2]，進而達到提高車輛的燃油經濟性。

1　汽車原車門耐撞性有限元分析

1.1有限元模型單元類型與質量規定

對汽車有限元模型進行構建的過程中，必須要對單元類型進行選擇，并保證選擇的精確程度，使仿真實驗數據更加真實。應綜合分析問題種類、模型特征、問題解決效率、解決準確性等多項內容，共同制定單元類型選取決策。鈑金件是汽車車門的主要構成材料，長度遠遠大于厚度，相對較薄，因此滿足有限元板殼理論的假設原理，可以對汽車車門板件進行殼單元模擬分析。本研究借助有限元分析求解器MSC Nastran進行汽車車門的模態研究，針對車門，利用CQUAD4劃分網格，并發揮CTRIA3的作用，對一些曲面結構劃分網格。但要注意，應確保5%的全部殼單元的量作為三角形單元的極限值[3]，汽車中間車門鉸鏈寬度尺寸是5 mm，可能會干擾試驗結果的準確性，所以要借助三維六面體單元對鉸鏈進行網格劃分，并使鉸鏈厚度上的單元量大于2層[4]。

圖1　側面碰撞統計數據

在對網格進行劃分的過程中，要同時對單元量、單元類型進行限定，有限元分析運算的時耗取決于單元量。結合有限元基本原理，為了使仿真實驗結果更加準確，必須要保障單元劃分的細度，然而，運算耗時長、計算機資源短缺等現狀，使得網格劃分極限相對固定。本研究的主要對象為汽車車門鈑金部件，所以，在劃分時要選擇8 mm的2D網格。

由于汽車車門的形狀及構成非常煩瑣，車門內板包括多個孔位、曲面凸臺，劃分曲面網格的難度較大，很容易出現網格單元異面、網格翹曲的現象。在提高仿真實驗的精確程度時，必須要對翹曲角度進行合理的控制，以免使試驗分析結果產生較大的誤差[5]。網格劃分質量在一定程度上同單元細條也有很大的關系，若運用四邊形網格劃分的單元細長在5.0以上，就會造成2.407 0的節點位移偏差[6]。對于保持計算效率、準確性彼此的均衡性，應嚴格規定汽車車門有限元模型的網格質量[7]，詳見表1。

表1　汽車車門有限元模型的網格質量具體規定

1.2連接汽車車門有限元模型

針對由多個部件構成的汽車車門進行碰撞仿真試驗時，要考慮到部件如何有效地連接起來，在提升試驗準確性時必須要確保連接方式的科學性和合理性[7]。外包能夠將汽車車門的內外板連接起來，可以通過Altair HyperMesh模擬門板單元節點的實際結構，車門內板和外板兩者的厚度總和能夠用最外層單元的厚度尺寸來表示。借助點焊的方式能夠將車門內板、窗框板件和內板加強板有效地連接起來，在Nastran有限元分析求解器的基礎上，通過CWELD單元按成模擬操作，焊點單元的半徑應為2.5 mm。車門內板主要由兩大部分構成，能夠應用激光焊接的方式連接起來，可以借助共節點模擬具體的焊接操作。RBE2單元為多點約束，主、從節點的位移相同，如果部件連接部位受力研究準確性較低，能夠對部件的連接過程進行模擬分析，還可以分別對汽車車門內板同鉸鏈的連接、車門防撞安裝板同防撞梁的連接、內板同升降器的連接進行模擬。

1.3原車門內板腰線剛度模型建立及有限元分析

1.3.1有限元模型建立

汽車側面承受力量的主要部件就是車門，因此，車輛的耐撞性能與車門的碰撞能力有著緊密的聯系。在對汽車車門進行輕量化研究的過程中，必須要確保車門的耐撞性、剛度達到預期設定的標準，并能夠給駕駛人員提供良好的駕駛體驗，保證汽車的安全功能。車門外板剛度、車門內板剛度、側向剛度和垂直剛度是構成汽車車門剛度有限元分析的幾大常見工作狀態。

本研究在分析汽車車門內板腰線剛度時，應規定鎖扣位置X、Y、Z3個坐標方向上的移動自由度，并對鉸鏈連接位置的6大自由度進行限制，將Y方向上100 N的力施加到內板腰線中心位置，要從內側向外側施加力量。圖2為汽車車門內板側面剛度分析的有限元模型。

圖2　車門內板腰線剛度分析有限元模型

1.3.2結果分析

經仿真分析可知，汽車車門加載點的Y方向變形是0.539 mm，但是按照行業規定應保證Max形變量小于1.2 mm。分析結果表明汽車車門內板腰線的剛度達到了設計規定，Y方向上的位移示意圖如圖3所示。

根據公式Fls=K，能夠得出汽車車門內板的腰線剛度值。內板腰線剛度與K呈正相關關系，剛度越強對應的K值越大，代入研究數據能夠得出內板腰線剛度數值是186.64 N/mm。原車門內板剛度研究結果詳見表2。

圖3　汽車車門內板腰線剛度的Y方向變形量示意圖

工作狀態數值規定最小剛度/(N·mm-1)許用變形量/mm計算剛度/(N·mm-1)變形量/mm內板剛度83.361.2186.640.538

1.4車門外板腰線剛度分析

1.4.1載荷條件和約束條件

在分析汽車車門外板腰線剛度時，應對鉸鏈連接位置的6大自由度進行限制，并規定鎖扣位置X、Y、Z3個坐標方向上的移動自由度，將Y方向上100 N的力施加到外板腰線中心位置，要從外側向內側施加力量。汽車車門外板側面剛度分析有限元模型如圖4所示。

1.4.2結果分析

汽車車門加載點的Y方向變形是0.366 mm，但是按照行業規定應保證Max形變量小于1.2 mm，仿真分析結果表明汽車車門外板腰線的剛度達到了設計規定，Y方向上的外板腰線剛度位移示意圖如圖5所示。在對汽車車門外板腰線剛度進

行分析和研究的過程中，可以根據公式Fls=K得出汽車車門外板的腰線在Y方向上的變形量。外板腰線剛度與K呈正相關關系，剛度越強對應的K值越大，在公式中代入數據能夠得出外板腰線剛度數值是273.31 N/mm。

圖4　車門外板腰線剛度分析有限元模型

圖5　車門外板腰線剛度Y向位移圖

見表3，結果顯示汽車車門的剛度均達到了預期設定的標準，行業規定Min窗框側向剛度與本研究剛度相一致，在進行輕量化設計時可以應用。

表3　汽車車門各剛度數值表

1.5原車門計算模擬分析

本文用的模型為無窗框車門。1)防撞梁、加強板和內/外板共同組成了汽車車門；2)鉸鏈、車門鎖、裝飾以及外裝飾件構成了車門附件[8]。車門較為復雜，發生側面碰撞時，吸收能量的部位主要為車門門體，因此，文章對汽車車門進行了進一步的簡化，在原有車門框架結構的基礎上實施改進，使得汽車具備原有內/外板、防撞梁以及支架等車門門體的主要組成部分。

因為汽車車門單元量不少，所以車門碰撞仿真試驗分析的單次運算耗時長，需要針對車門構建有限元模型，以此來開展耐撞性研究，從而提高整體運算效率，汽車車門的有限元模型示意圖如圖6所示。研究圓柱體與車門的碰撞過程(如圖7所示)，應控制圓柱體的速率，而車門耐撞性能的評價憑借碰撞時的變形侵入量實現[9]。模型中所用的圓柱體直徑為305 mm，圓柱體的上端面相較于窗口下邊緣線，應超過13 mm的距離，模擬時圓柱體不允許碰到其他構件；圓柱體下端面相較于車門外板最低點應超過127 mm的距離。

(a)車身

(b)車門圖6　汽車車門的有限元模型示意圖

圖7　車門與圓柱體的碰撞有限元模型示意圖

1)選取材料：針對以LS-DYNA為原料的車門鋼板進行仿真模擬分析，圓柱體的材料是24號彈塑性材料，應使車門鋼板剛度、參數、模型狀態等材料參數保持一致。在模擬時可以通過Beam梁單元對車門的焊點、外/內板包邊進行處理，選定MAT100材料，采用點焊接觸，通過定義接觸連接殼單元和Beam單元，此舉可對焊點的失效行為進行模擬。

2)汽車車門邊界的限制因素：本研究結合碰撞過程中車門發生的變形狀況，通過模擬的手段來獲得汽車車門側面的限制條件和因素。如果車門處于關閉的狀態，就需要以一定的限制條件來約束邊框、車門鎖、上/下鉸鏈。

汽車車門上、下鉸鏈部位要對繞Z方向轉動條件進行限制，限制其他五大自由度，并規定車門門鎖的Y、Z兩個坐標方向上的移動自由度，可以忽略邊框在碰撞過程中的Z方向上的變形量，對車門邊框Y方向上的允許變形量進行詳細的規定[10]。

3)接觸的定義：車門同圓柱體進行碰撞時，兩個表面相互接觸，可能會使車門部件出現變形，所以汽車車門會同相關組成件發生接觸，其他組成件與車門外板亦發生接觸。由于碰撞過程中不確定因素較多，因此，接觸位置很難確定。文章選擇自動單面接觸，對車門內部組成件間的接觸進行模擬；選擇自動面面接觸，對圓柱體外表面和車門外板之間的接觸進行模擬，動靜摩擦系數按照0.2選取。

4)設置初始條件：參考EuroNCAP側面碰撞評價標準，車門同圓柱體進行碰撞時的速度要設置為50 km/h，圓柱體沿Y方向，圓柱體速度應同車速相一致，對外板進行碰撞[11]。結合相關資料，在車門進行碰撞后，運算應從內側出現變形量到乘坐人員同車門相互接觸為止，時間段一般在25 ms之內，因此，文章設定的碰撞終止時間為25 ms。

本研究應將LS-DYNA第四類型設置成沙漏控制種類，選擇0.1為剛度系數值。若模型的沙漏不超過總能量的5%，可以保證模型能量守恒，既認定成功。車門發生側碰過程中能量變化曲線如圖8可知，由圖8所示，模型是成功的。

圖8　車門側碰過程能量變化曲線

以5 ms為單位，在0～25 ms間選擇6個碰撞時間點，圖9表示車門內板發生側碰時的變形。

由圖9可知，在模擬碰撞過程中，車門變形區域包括兩部分：第一部分變形區域為圓柱體外表面與車門外板主要接觸區域；第二部分變形區域為車門外板中部。對柱碰過程進行分析：碰撞時間為7 ms時，汽車車門組成部件相互接觸的次序是：防撞梁、內板、升降器安裝板，內板在7 ms之內不會出現較大的變形量。當碰撞發生15 ms之后，車門內腔會受到較大的擠壓，車門內板變形顯著。即碰撞時間為15 ms時，車門內板和防撞梁中部接觸區域的變形達到峰值；碰撞時間為20 ms時，接觸區域已形成顯著的內凹，門邊框Y向自由度被約束，圓柱底面四周形成了顯著的褶皺；碰撞時間為15 ms時，車門內板與車門外板全凹陷，防撞梁變形嚴重[12]。依據模擬結果，車門內板的中上部為最大變形區域。

圖9　車門內板發生側碰時的變形圖

2　車門內板輕量化仿真與結果分析

通過改變車門內板的材料，制定不同的車門內板厚度方案，通過對照研究碰撞仿真分析數據，能夠計算出符合車門碰撞安全規定標準的優化方案，達到車門輕量化的設計目標。本文采用5182鋁合金作為車門內板材料，其余零部件的材料、厚度尺寸應與車門相同，將內、外板的材料厚度準確進行鑒別，設計出合理、科學的輕量化設計方案。具體設計方案詳見表4。

表4　汽車車門內板的輕量化設計方案

在車門內板對輸出節點進行布置，對比不同厚度車門側面碰撞安全性的節點，確定入侵距離最大的節點，汽車碰撞安全性的評價指標包括2項:1)車門內板的最大入侵距離；2)最大入侵速度[13]。圖10～11表示隨時間變化，不同厚度車門入侵速度及其入侵量的變化規律。

圖10　不同厚度車門內板入侵距離隨時間變化

圖11　不同厚度車門內板入侵速度隨時間變化

表5表示不同厚度車門內板的仿真結果。

表5　不同厚度的車門內板仿真結果

由表中數據可知，與原車門相比，方案6中車門內板的最大入侵距離降低0.84 mm；車門內板的最大入侵速度明顯減小，為0.9 m/s，運用對照研究的方式分析碰撞過程中內板、輕量化方案6的等效應變、應力。

碰撞0.035 s時車門內板的最大應力、應變分別為 1 043.36 MPa、494.099 MPa。進行汽車車門輕量化設計后，與原車門相比，應變數值相對較小，這同車門原材料有很大的關系，但內板等效應力則大大降低[14]。車門內板最大等效應變、應力如圖12所示。

優選方案6是完全可以滿足汽車車門內板在發生側面碰撞時的安全性能規定[15]的。對汽車車門進行輕量化設計后，內板質量有了較大的減重，優選結果表明選擇鋁合金作為替代材料是可行的。

圖12　車門內板等效應變圖

3　結語

通過有限元仿真模型構建的方式，研究了圓柱體、車門內板的碰撞仿真數據，對內板材料進行輕量化設計，采用鋁合金代替原來車門內板的普通鋼板，對照研究多個輕量化設計方案的側面碰撞仿真數據，在確保安全程度的基礎上，確定方案6為最優方案。

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The Finite Element Analysis and Lightweight Design to the Car Door Inner Panel Crashworthiness

XIE Mao-qing，etc.

(ZhejiangTieliuClutchCo.，Ltd.，Hangzhou311103，China)

By establishing the simplified finite element simulation model of car door inner side crash，and the crash research to the car door panel and the rigid column，this article has got the stress parameters to the door inside panel structure，the equivalent strain parameters，and gives an accurate evaluation to the car door crashworthiness.Combined with the research result to simulation model，and based on the lightweight design to the door inner panel materials selection，the steel board material in the car inner side has been changed into aluminum alloy material.The thickness of the car door inner panel has been readjusted，and optimized among each kind of lightweight designs to car door inner panel.The crash simulation experiment to different lightweight designs has been made to compare and analyze the experiment results，in order to realize the optimization.By the above analysis and research，the car door inner panel crash safety has been increased，and the purpose of lightweight design to car door inner panel has also been realized.

the car door inner panel crashworthiness；finite element analysis；lightweight design；aluminum alloy material

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.011

2016-06-15

謝茂青(1974-)，男(漢),杭州,碩士,高級工程師

主要研究材料科學與工程。

U463.82：TB33

A

1009-8984(2016)03-0045-06