基于ABAQUS的車門限位器安裝面強度分析及結果優化

顧曉丹， 劉高領

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心,廣西柳州 545007)

0 引言

汽車車門在實際使用過程中開關頻率較高，車門的開關耐久試驗是新車型開發過程中的一個必需環節。試驗要求在完成10萬次的開關耐久試驗以后，車門以及車身相關部件不得有損壞。但是該項試驗試驗周期長，從試驗臺架的搭建開始到最后完成試驗至少需要28個工作日，期間如果有任意零件損壞則該項試驗均不通過，需要重新修改方案再進行試驗驗證,如此長周期的驗證工作大大延長了車門的開發周期。文中提出一種有限元靜力學分析方法,可以在試驗前對車門及車身限位器安裝區域進行結構分析，由此得出能夠滿足試驗要求的結構，保證試驗一次性通過，節省試驗資源，縮短零件開發周期。

1 限位器安裝面受力分析及有限元分析流程

1.1 限位器安裝面受力分析

限位器具有兩個功能：(1)限制車門的最大開度；(2)門半開和全開時的停位功能。限位器結構如圖1所示。

圖1 鉸鏈門限位器結構示意圖

限位器安裝在上下鉸鏈之間，如圖2(a)所示。圖2(b)所示為車門關閉時限位器與車門配合狀態，此時臂桿在限位器盒中可以自由滑行，車門及車身側限位器安裝面不受力。

圖2 限位器工作原理

圖2(c)所示為車門開到最大開度時限位器與車門配合狀態，此時緩沖塊運行至最大行程與限位器盒發生接觸，起到限位作用。在試驗時，當車門開至最大開度時雖然有限位器的限位作用，但是由于慣性作用車門仍然有繼續外開的趨勢，限位器臂桿此時起到二力桿的作用，臂桿的軸向力一端通過緩沖塊與限位器盒的接觸傳遞給車門限位器加強板和車門內板，另一端通過安裝支架傳遞給車身側圍外板及加強板。由此判斷在車門一個開閉循環過程中，車門在最大開度位置時，車門及車身限位器安裝面受力最大。

1.2 有限元分析流程

目前國內汽車零部件的設計已經從主要依靠經驗逐漸發展到應用有限元方法進行強度計算和分析階段。圖3所示為此案例有限元分析及優化流程圖。

圖3 鉸鏈門限位器安裝面強度分析及優化流程圖

2 仿真分析與試驗對比

2.1 有限元仿真

上文已經提及當車門開啟到最大開度時，限位器兩端連接部件受力最大，由此物理模型建立的有限元模型如圖4所示，車門位于最大開啟角度68°位置，在車門外開手柄處沿車門開啟方向施加載荷100 N，載荷大小是根據試驗臺架的最大運行速度以及車門的質量計算得出。白車身截取范圍距離鉸鏈安裝點X向前后500 mm、Y向500 mm，并在截取位置約束6個方向自由度。

圖4 有限元模型

車身及車門的鈑金件采用以四邊形為主的混合殼單元模擬,四邊形單元類型采用S4R，三角形單元類型采用S3R。車門鉸鏈及限位器臂桿采用以八節點六面體單元為主的實體單元模擬,六面體單元類型采用C3D8I，四面體單元類型采用C3D4。鉸鏈及限位器轉動銷采用HINGE單元模擬，同時必須保證HINGE單元位于車門鉸鏈和限位器鉸鏈的設計軸線上。焊點與黏膠采用實體單元模型，模型中螺栓連接的位置采用剛性單元RIGID模擬，單元類型采用KINCOUP。此模型包含節點92 744個，單元88 911個。

表1是車門及車身與限位器連接各個零件的材料厚度及其屈服應力值。

表1 零件材料屬性

為了保證分析的真實性還需要在模型中建立多處接觸，防止穿透。建立接觸的位置通常是在受力過程中兩個或者多個零件會發生接觸的位置。在該模型中建立了以下幾處接觸：

(1)車門側鉸鏈與車身側鉸鏈；

(2)限位器安裝支架與側圍外板、B柱加強板及B柱下加強板；

(3)限位器盒與車門加強板及內板；

(4)緩沖墊與限位器盒。

以上接觸方式均采用Contact Pair類型。

計算采用ABAQUS非線性靜力學求解器。

2.2 應力評價

采用Mises應力作為評價標準,表達式為:

(1)

對于塑性材料，當應力超過屈服極限時，變形較大且不能恢復，因此零件的最大應力不允許超過屈服極限。通常按照公式(2)對塑性材料的許用應力進行規定：

[σ]=σs/n

(2)

式中：σ是材料許用應力；σs是材料屈服極限；n是安全系數，根據經驗此案例中選取安全系數為1.2。

2.3 鉸鏈門開閉耐久試驗

試驗中車門按照設計狀態裝配上所有零件，利用解鎖機構操作外開手柄或者內開手柄，并將車門推動至最大開度位置，再按照一定的關門速度推動鉸鏈門至關閉，如此為一次循環試驗。內開開啟和外開開啟試驗各完成50 000次，該試驗用于考核鉸鏈門總成及其相關零件是否滿足耐久性要求。試驗要求:試驗完成后鎖系統、升降器系統、限位器、鉸鏈等各個功能零件使用正常，能夠正常操作，車門、車身鈑金件和焊點不得有開裂。

2.4 仿真結果與試驗結果對比

某車型鉸鏈門在開閉耐久試驗進行至41 000次左右時，發現車門側限位器安裝面內板開裂，如圖5所示。仿真計算得出限位器安裝區域各零件應力大小及分布如圖6所示。

圖5 試驗車門內板開裂

圖6 車門及車身限位器安裝區域各零件應力云圖

仿真結果顯示：車身側各零件最大應力均沒有超過屈服極限，滿足強度要求；車門內板及限位器加強板的應力已經超過屈服極限，內板應力分布與試驗開裂位置相符，如圖5和圖6(a)所示，證明了有限元模型的精度較高,可以在此有限元模型基礎上進行結構優化。

3 開裂原因分析及結果優化

3.1 開裂原因分析

傳統車門鉸鏈加強板采用一體式結構，如圖7(a)所示。這種結構的優點是加強板覆蓋區域較大，上下鉸鏈區域受力較均勻，內板受力較小；缺點是零件材料利用率低，質量大，沖壓成型困難等。此案例車門采用分體式鉸鏈加強板結構，如圖7(b)所示。這種設計的優點是受力區域分開設計，各部位可以采用不同厚度，相比原來結構減重20%，零件材料利用率較高；缺點是上下結構分開，中間分開區域剛度較弱，剛度不連續，容易形成應力集中區域。此案例中，車門限位器加強板面積較小，無法將載荷有效地傳遞至內板大面積區域，內板僅有安裝凸臺區域受力，導致特征線上應力集中而發生開裂。

圖7 整體式與分體式鉸鏈加強板結構區別

3.2 結果優化

針對鈑金件開裂，優化方法通常有增加鈑金件厚度、優化局部結構、優化焊點布置、更換材料等。考慮到車門內板的成形性及修改模具因素，排除更換材料的優化方式。下面分別采用前面3種優化方式解決開裂，并對各個方案進行質量、成本估算以確定最優方案。

優化方案一，內板厚度由0.65 mm增加至0.8mm，限位器加強板厚度不變。

優化方案二，內板厚度不變，加強板厚度由1.4 mm增加至1.8 mm。

優化方案三，內板及限位器加強板厚度不變，對限位器加強板進行結構和焊點布置優化，如圖8所示。

方案三是將原來兩塊加強板(限位器加強板和下鉸鏈加強板)合并成一個整體加強板。結構更改的同時也將原來焊點重新布置，這種結構可以有效避免兩塊加強板之間剛度不連續的現象，載荷可以通過加強板傳遞至內板較大區域，不再出現安裝面局部受力的情況。該方案還可以減少車門零件數量，焊接時減少一個焊接工位，減少人力成本。

圖8 優化方案三加強板結構及焊點更改

各優化方案計算結果如圖9所示。

圖9 各優化方案內板及加強板應力云圖

表2 各優化方案應力結果及質量增加對比表

表2說明：優化方案一和方案二僅通過增加零件厚度的方式并不能夠有效地降低應力大小，且應力分布與原方案相同；方案三通過優化加強板結構，改善原有傳力路徑，有效降低了應力大小，最重要的是應力分布明顯改善，消除原有的應力集中，使得內板應力分布更加廣泛而均布，增加了內板安全系數。

方案三在幾乎沒有增加質量的情況下，內板及限位器加強板的應力分別降低了29.7%和34.8%，零件應力安全系數分別達到了1.35和1.38。由此可見，結構優化最有效果，且成本最低。

4 試驗驗證

將優化方案三的結構應用在原車門上，重新進行10萬次耐久試驗，試驗完成后檢查車門限位器安裝區域，鈑金及焊點無開裂。同時經過26 000 km的壞路試驗之后，該區域也沒有出現開裂。以上兩個試驗證明了該優化方案的可靠性。

圖10 鉸鏈門開閉耐久試驗

5 結論

(1)提出一種基于ABAQUS的車門限位器安裝面強度分析方法，利用該方法可以在試驗前分析車門及車身限位器安裝面的結構設計是否滿足要求，并將某車型開閉耐久試驗結果與仿真結果進行對比，驗證了模型的準確性。

(2)在有限元模型基礎上，通過局部結構優化和改變零件厚度優化方法，并對比成本變化，得出只有結構優化能夠解決限位器安裝面開裂問題,解決了高性能、低成本與輕量化的矛盾。并通過開閉耐久試驗及壞路路試驗證了方案的可靠性。