某汽車前門結構的有限元模態剛度分析

張玉成，楊洪濤

(東風小康汽車有限公司 汽車技術中心，重慶 400033)

?

某汽車前門結構的有限元模態剛度分析

張玉成，楊洪濤

(東風小康汽車有限公司 汽車技術中心，重慶 400033)

基于有限元法，建立某車型前門結構有限元模型，在自由無約束加載條件下進行模態分析；在前門不同開啟角度工況下，根據其變形情況進行垂向剛度分析；在不同位置處加載狀態下，對前門結構進行側向剛度分析。利用HyperMesh和Altair optistruct進行有限元模擬分析及求解，為評價前門結構的固有頻率和振動型式、產品結構設計及優化提供理論基礎，具有一定的理論及工程應用價值。

模態分析；垂向剛度；側向剛度；有限元

前門結構作為獨立、綜合的轉動部件，是白車身結構重要構成部件之一，其性能直接決定白車身結構性能的好壞。前門與車廂共同組成了乘坐密閉空間，應具有良好的振動特性以避免在外界激勵頻率作用下形成共振，造成振動破壞。同時，除了保證外形質量外，應具有足夠的剛度以保證開、閉狀態性能的可靠性及側碰安全性。在產品結構前期設計過程中，進行有限元模擬分析可規避設計風險、節約成品、縮短設計周期。本文以某汽車前門結構為研究對象，對前門結構模態、垂向剛度及側向剛度等進行有限元模擬分析，為產品結構設計及優化提供理論依據。

1 前門結構有限元分析

1.1 前門結構模態分析

前門是整車中一個非常重要的結構部件，其質量影響外觀質量及側碰安全性能。根據機械振動原理，前門失效主要由外界頻率激勵如道路、發動機等引發共振破壞。所以，在產品結構設計過程，應盡可能提高前門最小固有頻率，避開外界激勵頻率所引發的共振區，避免結構內空腔產生共鳴噪音[1]。

1.2 前門結構剛度分析

前門結構的剛度包括垂向剛度及側向剛度[2]。垂向剛度主要分析關閉狀態下前門上角點、下角點、門鎖處的垂向位移量，不同開度工況及門鎖處作用力下的垂向位移量；側向剛度主要分析前門上角點、下角點、窗臺內外板中心點在垂直車門方向加載力作用下的位移量[3]。

2 前門結構有限元模型建立

有限元模型采用HyperMesh作前處理，Altair optistruct求解。其中：HyperMesh集成了設計與分析的各種工具，并具有高效的網格劃分功能[4-6]；Altair optistruct可計算求解線性和非線性問題，具有計算精度高、效率高等優點[7-8]。

2.1 前門結構有限元網格劃分

前門具有幾何結構復雜多變，尺寸數據多等特點，有限元模型的建立精度直接影響有限元計算結果的精度，否則易使得計算結果誤差較大。根據前門結構數模建立計算模型，采用板殼單元進行有限元離散處理，并盡量多地采用四邊形板殼單元，少量三角形單元以滿足過渡需要，保證網格質量，網格單元劃分如表1所示。材料參數如表2所示。

表1 網格單元劃分

表2 材料參數

2.2 焊點及焊縫處理

焊點采用CWeld單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬。

2.3 附件處理

附件及內飾采用MASS質量點單元模擬，鉸鏈采用體單元模擬。

2.4 邊界條件

2.4.1 模態分析邊界條件

自由狀態，無約束及加載，有限元模型如圖1所示。

圖1 前門結構有限元模型

2.4.2 垂向剛度分析邊界條件

約束車身截面處的所有自由度，釋放鉸鏈繞軸的轉動自由度，約束門鎖處門法向移動自由度。前門結構垂向剛度分析載荷及邊界條件如圖2所示。

圖2 前門垂向剛度分析邊界條件

2.4.3 側向剛度分析邊界條件

前門側向剛度分為上部加載、下部加載、窗臺內外板處加載。前門為關閉狀態，約束前門鉸鏈與車身鉸鏈處所有自由度，釋放鉸鏈轉動自由度，約束鎖芯處所有平動自由度。前門結構側向剛度分析載荷及邊界條件如圖3所示。

圖3 前門側向剛度分析邊界條件

3 前門結構計算結果及分析

3.1 前門結構模態計算結果及分析

通過分析計算得到前門結構(t=0.7 mm)前6階固有振型及頻率，如圖4和表3所示。

圖4 前門結構前6階模態分析表3 前門結構前6階模態頻率

階數123456頻率/Hz38.6441.3078.0255.7867.1578.12

外界運動學激勵如道路激勵頻率及發動機激勵頻率等都屬于垂直激勵，一般情況下其頻率值不超過20 Hz。基于設計標準，該車型白車身固有頻率為35 Hz左右。從計算結果分析可知：前門結構的模態頻率均大于固有頻率，不存在頻率交叉形成的共振區，避免共振破壞失效風險，前門結構符合設計要求。

3.2 前門結構垂向剛度結果及分析

在不同的工況條件下對前門垂向剛度進行分析，工況一：關閉狀態，Z向-1g加速度；工況二:開啟角36°，Z向-1g加速度，門鎖處Z向-750N集中加載；工況三：開啟角70°，Z向-1g加速度，門鎖處Z向-750 N集中加載。

3.2.1 工況一垂向剛度分析

在前門自重條件下上角點、下角點、門鎖處位移下沉量如表4所示。

進修醫師的學習目的是為了回原單位開展新工作，無論是基于對患者負責的態度還是保護同行的理念，在教學過程中都應該摒棄門戶之見，傾囊相授、不應有所保留。良好的進修氛圍，有助于教學相長，共同提高，并建立很好的友誼，有利于今后科室間、醫院間的長期交流和互動[3]。

表4 工況一條件下前門位移量

在工況一中，各點位移下沉量都比較小，最大位移下沉量位置為上角點處，僅為1.77 mm，狀態可控，滿足設計要求。

3.2.2 工況二垂向剛度分析

工況二條件下，車門自重及加載時Z向位移圖、加載時應力應變情況如圖5所示。

圖5 工況二條件下前門位移及應力應變

位移及剛度分析如表5所示。

表5 工況二條件下前門位移及剛度

在工況二條件下，車門自重狀態下門鎖處Z向位移為0.74 mm，加載-750 N力時門鎖處Z向位移為5.42 mm；加載-750 N力時,車門最大應變為0.27%，位于前門內板處。位移下沉量可控，且垂向剛度大于100 N/mm，垂向下沉剛度滿足設計要求。

3.2.3 工況三垂向剛度分析

工況三條件下，車門自重及加載時Z向位移圖、加載時應力應變圖如圖6所示。

圖6 工況三條件下前門位移及應力應變

位移及剛度分析如表6所示。

表6 工況三條件下前門位移及剛度

在工況三條件下，車門自重狀態下門鎖處Z向位移為1.12 mm，加載-750 N力時門鎖處Z向位移為7.68 mm；加載-750 N力時車門最大應變為0.25%，位于前門內板處。位移下沉量可控，且垂向剛度大于100 N/mm，垂向下沉剛度滿足設計要求。

3.3 前門結構側向剛度結果及分析

在不同的加載條件下對前門側向剛度進行分析，其中門外板厚度為0.7 mm，內板為1.4 mm/0.7 mm。上部加載位置為窗框最上接頭處，下部加載位置為下緩沖塊接觸處，中部加載位置為窗臺內外板中心處，加載方向為Y軸負向，大小為200 N。各加載條件下Y向位移如圖7所示。

圖7 不同加載條件下前門Y向位移

上部加載時，Y向位移量為5.49 mm，側向剛度為200 N/5.49 mm=36.43 N/mm；下部加載時，Y向位移量為1.85 mm，側向剛度為200 N/1.85 mm=108.10 N/mm；中部內側加載時，Y向位移量為1.80 mm，側向剛度為200 N/1.80 mm=111.11 N/mm；中部外側加載時，Y向位移量為1.23 mm，側向剛度為200 N/1.23 mm=162.21 N/mm,不同加載位置的側向剛度如表7所示。

表7 不同加載位置的前門側向剛度

不同位置處加載所造成的Y向位移量可控，側向剛度滿足設計要求。但中部內側加載時造成的側向剛度值偏小，這是由于前門結構窗臺內側幾何特征不明顯，窗框內加強板與前門內蒙皮間距變小，導致兩板組合而成的空腔截面面積變小所造成。

4 結論

本文以某前門結構為研究對象，建立有限元模型，并進行模態、垂向剛度及側向剛度分析，分析結果如下：

1) 前門結構最小固有頻率38.64 Hz大于白車身固有頻率(35 Hz)，振型良好，不存在頻率交叉形成的共振區，避免了共振破壞失效及振動噪聲，符合產品結構設計要求；

2) 在自重條件下，最大位移下沉量位置為上角點處，僅為1.77 mm，狀態可控；半開狀態下垂向剛度為160.25 N/mm，全開狀態下垂向剛度為114.33 N/mm，均大于100 N/mm理論設計值，滿足設計要求；

3) 側向剛度整體上滿足設計標準，但中部內側加載時造成的側向剛度值偏小(111.11 N/mm)，主要由前門結構窗臺內側幾何特征不明顯造成，可后續進一步優化其幾何結構。

[1] 傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[2] 郝琪.基于計算機模擬的車門下沉剛度改進設計及模態分析[J].湖北汽車工業學報，2006(2)：7-10.

[3] 韓旭,朱平,余海東,等.基于剛度和模態性能的轎車車身輕量化研究[J].汽車工程,2007,29(7):545-549.

[4] 邊弘曄,李鶴,聞邦椿.HyperMesh有限元前處理關鍵技術研究[J].機床與液壓,2008,36(4):160-161.

[5] 王琪,楊彬,劉汝波,等.基于Hypermesh和Ansys的臥螺過濾離心機轉鼓系的模態分析[J].機械科學與技術,2013,32(6):873-878.

[6] 楊小見,楊勝,寧忠翼,等.基于HyperMesh的客車轉向機支架的優化設計[J].客車技術與研究,2012,21(1):14-16.

[7] 張繼偉.基于計算機模擬的車門扭轉剛度的分析與評價[J].湖北汽車工業學院學報，2007(2):5-7.

[8] 張勝蘭.基于HyperWorks的結構優化設計技術[J].北京：機械工業出版社，2007.

(責任編輯 楊文青)

The FEM Modal and Stiffness Analysis of Front Door Structure of Certain Cars

ZHANG Yu-cheng，YANG Hong-tao

(Automotive Technical Center,Dong Feng Xiao Kang Motor Co.Ltd,Chongqing 400033,China)

Based on the finite element method, the structural finite element method of front door of some cars was established and the modal analysis was done under the condition of free unconstrained load. In different working condition of opening angle of front door, the vertical stiffness was analyzed according to the deformation of front door; the analysis of lateral stiffness for structure of front door was done under the loading status at different position. The simulation and solution of finite element was proceeded by HyperMesh and Altair optistruct, which can provide theoretical basis for the evaluation of natural frequency and vibration model of front door and the design and optimization of product structure, having a certain value on theory and engineering application.

modal analysis; vertical stiffness; lateral stiffness; finite element

2016-09-14 作者簡介：張玉成(1982—)，男，湖北蘄春人，碩士，主要從事汽車車身設計及材料成型的分析和研究，E-mail:461591420@qq.com；楊洪濤(1968—)，男，陜西漢中人，碩士，高級工程師，主要從事汽車車身設計及材料成型研究。

張玉成，楊洪濤.某汽車前門結構的有限元模態剛度分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):36-42.

format：ZHANG Yu-cheng，YANG Hong-tao.The FEM Modal and Stiffness Analysis of Front Door Structure of Certain Cars[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):36-42.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.007

U463.8

A

1674-8425(2016)11-0036-07