基于Nastran的車門結構有限元分析

葛鵬翼 孟少杰 王尊

摘 要：汽車整車包括了白車身、四門兩蓋、中控、座椅等子系統，其中，車門不僅是乘員進出汽車的通道，也是隔絕外界氣流和噪聲干擾的重要防護系統，更能避免駕駛員在緊急情況下發生側碰意外，市面上的主要乘用車的車門數量從2至5不等，本文針對現階段的某款4門乘用車型，利用hypermesh對其進行了網格劃分，得到其有限元模型，并根據該模型對其剛度和前3階模態進行了分析，為后續人員的優化打下堅實的基礎。

關鍵詞：車門;剛度;網格劃分;有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.050

0 引言

車門的剛度決定了車門抵抗彈性變形的能力，剛度如果達不到所需，可能導致車門在外力碰撞下變形，對乘員生命安全造成損害。車門的開關是一個循環往復地過程，在閉合過程中車門承受剛性沖擊，足夠的剛度能夠保證車門的耐久性要求，避免車門發生疲勞變形甚至開裂[1]。針對車門系統，許多學者對其進行了多方面的研究與優化，例如華南理工大學的劉云剛對基于剛度和耐久性進行了優化分析設計，并最終提高了車門剛度并完成了輕量化設計[2];湖南大學的宋琪對車門進行了動靜力學的分析，并且加以實驗論證，證明了分析的準確性和可靠性[3]。

1 車門有限元模型的建立

車門包括了車門外板、車門內板、車門加強橫梁、車門鉸鏈、車門開度限位器、車門玻璃等主要零部件以及密封條、鉸鏈從屬零部件。車門的幾何模型由catia進行繪制，車門的主要零部件如車門的內外等基本都為沖壓件，所以在網格劃分的時候采用殼單元進行模擬，除鉸鏈等極少數零部件為鑄造件需用體網格劃分。車身的前處理是網格劃分的難點，主要存在如下幾點：（1）由于車身零部件眾多，且殼、體2種屬性單元都具備，材料屬性各不相同，連結方式各異，通常一部整車大大小小零部件可能有上千之多，所以工作量巨大。（2）汽車的幾何模型尤其是車身曲面相較于其他工業產品尤為復雜，過多的曲面使得幾何特征的結構線眾多，在實際處理中，需清理掉幾何模型中的結構線，但是結構線清理過多，也會造成幾何模型和有限元模型相差過大，偏離實際造型，故需要對幾何模型進行預先分析，合理的清理構造線。（3）針對殼單元零部件，在幾何復雜的情況下，抽取中面之后可能存在面的丟失，需要重新補面。補面的工作也十分耗時耗力。在實際工作中針對整車的前處理基本都使用hypermesh或者ANSA進行網格劃分，這兩款軟件在處理曲面零部件時有其獨特優勢，本文采用hypermesh進行網格前處理，在處理的過程中將網格屬性設置為Nastran標準。在網格劃分過程中采用8mm進行網格劃分，設置最小尺寸為3，翹曲為15。該標準為通用一般標準，某些更嚴苛的標準將最小尺寸設置為5，翹曲設置為11，這樣雖然會使網格質量更高，后處理結果也會更準確，但是極大地加大了前處理的難度。在導入幾何模型之后，選擇Nastran求解器，之后對零部件進行編號，按照項目代號材料厚度對其進行設置。之后開始對各個零部件進行網格劃分，對鈑金類零件進行抽取中面、結構線清理、中面修補，對螺紋孔進行3到5不等的擴孔，定位孔則按情況而定進行4節點代替或將孔外擴4mm，刪除幾何中的多余節點，避免網格畸形。網格的質量必須全部滿足相應的標準，在網格全部滿足標準后，檢查是否存在重復面、自由邊、網格法向是否相同，網格大致走向是否一致。在車門的前處理過程中，需要注意的就是包邊的處理，在實際生產工藝中，車門的內外板由金屬材料沖壓落料而成，外板將內板用10毫米左右的包邊包住。其次是粘膠的處理，在外板和支撐架之間有粘膠槽，在有限元建模中，不可將其結構線清理，需要將膠槽保留，并且用一層體網格代替粘膠。之后打上焊點固定，最后用設備將內外板包邊成型。在有限元處理包邊過程中，需要有3個層級，第一層是內板層，第二層外板層，第三層包邊層，這三層需要網格的節點都能對齊一致，及內板外板邊界對齊，并且其節點數和包邊相同，網格劃分完畢之后，需要對所劃分的網格建立相應的屬性，車門的通常用的材料為線性材料，如鋼和鋁等，建立相應的材料卡片，設置材料對應的彈性模量、泊松比、密度，之后在屬性里賦予各個網格的厚度，并將其材料屬性和厚度屬性賦予車門的各個零部件，檢查干涉和穿透，雖然在實際裝配中零部件是不可能發生干涉，但是在網格劃分中由于和幾何模型會有偏差，以及倒角處1排或者2排網格不能完美地描述倒角度數，因此網格劃分后干涉是不可避免的，需要調整網格的結點，將其偏移不同的距離，以消除干涉，個別零部件發生干涉的網格數量巨大，此時需要將整個層進行偏移。最后將處理好的零部件用reb2、reb3單元約束，完成有限元分析的前處理，該模型總網格數47683，總節點數48145。車身有限元模型如圖1所示;車身主要零部件參數如表1所示。

2 車門的剛度分析

車門剛度包括下沉、彎曲、扭轉剛度，其中，下沉和彎曲剛度是主要的，本文對其下沉剛度進行研究，下沉剛度不足，會導致車門發生漏水，震動異響。車門下垂剛度主要是指約束車門鉸鏈處全部6個方向的自由度，考慮車門自重，同時在車門把手處加載，以國標規定乘員體重800N為標準，垂直向下施加于把手上，對鉸鏈孔中reb2單元的主節點，進行全零位移約束;接著在分析主菜單，選擇限制工具添加約束。在把手處添加800N的力，使用forces設置，選擇把手節點，設置力大小為-800N，方向為z軸，完成創建。同理，創建名為grave的載荷，用于設置重力加速度，為其設置屬性，即卡片屬性為GRAV。其中N1～N3表示方向向量;接著進行載荷設置，選擇為載荷，設置num2，因為后續要選擇載荷，Nastran只能選擇一個，需要用load將load和grave合為一個，s表示比例因子，設為1，載荷和約束設置完畢，之后用Nastran求解器求解，在hyperview中顯示位移云圖，得到分析結果。如下圖所示2—4所示：

其中x向的最大變形量為2.157mm，y向的最大變形量為2.601mm，z向最大變形量為0.3mm，變形量均在5mm以內，在鉸鏈處應力較大，應力集中為258MPA，但是鉸鏈周圍的應力基本維持在160—180MPA之間，說明局部應力并不會對車門整體產生實質性影響，分析表明車門變形量較小，應力集中區域與所估計基本一致，參照國外較有代表性的轎車，其下沉剛度平均值為287N·mm-1，即要求該車門在此工況下的最大平均變形位移為2.61mm。說明該車門設計基本合理。但是后續仍可加厚車門的厚度，建議將車門內外版加厚0.5mm，提高下沉剛度，使得y向變形更小。

3 車門的模態分析

模態分析有自由模態和約束模態，車門采用自由模態的分析方法。添加載荷，卡片屬性為EIGRL即蘭索式法模態分析。設置起始頻率v1、截止頻率v2。其中v1設為0.01避免剛體模態，ND為所求模態階數，設為3。模態分析為動態分析，所以需要考慮阻尼，本有限元模型使用模態阻尼，通過celas2單元添加，通過求解，在hyperview里得到前3階模態位移云圖。如下圖5—7所示：

根據模態計算結果，進行總結分析，新能源汽車的主要激勵主要來自于道路和車輪，其中道路激勵的頻率較低，通常在5hz以內，車門的激勵通常在11hz以內，要求的車門的自由模態頻率在30hz以上，該車門的一階自由模態的頻率為35hz，遠遠優于安全標準，表明車門設計是安全的，可以避免和常見激勵發生共振。

參考文獻：

[1]邢志波，譚繼錦，汪小朋，汪偉康，潘鵬.多目標優化下汽車車門性能分析研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2017，40（07）：888-891.

[2]劉云剛.基于剛度和耐撞性的車門結構輕量化設計研究[D].華南理工大學，2013.

[3]宋琪.車門動靜態特性分析及實驗驗證[D].湖南大學，2016.