某SUV車型后門側向窗框剛度分析及優化

彭美青，孫念芬，鄧磊

(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330052； 2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室,江西南昌 330052)

0 引言

汽車車門由門外板、門內板、門窗框、門玻璃導槽、門鉸鏈、門鎖及門窗附件等組成，是汽車車身重要且相對獨立的部件，通過鉸鏈與車身連接來實現開啟和關閉[1]。

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。傳統設計車門的方法，通常是在樣車階段對車門剛度進行反復多次的試驗，這樣會大大增加開發成本和周期。隨著有限元的發展，在汽車開發初期對車門進行剛度仿真分析，對車門的設計及優化提供有效指導意見，提高開發效率[2]。本文作者以某SUV車型后門為例，在項目早期對車門進行側向窗框剛度分析，并對不合格的設計進行優化，在項目中期車門樣件出來后，進行實驗驗證，使車門達到目標要求，從而降低開發成本、縮短車門開發周期。

1 車門剛度對車輛性能的影響

1.1 車門剛度

車門剛度是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力，用對車門施加載荷與車門承受該載荷后產生的變形之間的關系來表示車門剛度。

1.2 側向窗框剛度

汽車車門系統作為用戶經常使用、接觸的部件，需具有足夠的剛度以滿足用戶對使用性能、外觀及噪聲的要求，且車門的品質在一定程度上反映了造車水平。車門側向窗框作為衡量車門品質的一項重要指標，若剛度不足，會導致變形，影響外觀間隙平度；而變形過大，則會影響密封條的密封性，造成噪聲加大和高速振響問題。

2 優化前CAE側向窗框剛度分析

2.1 有限元網格劃分

本文作者利用HyperMesh12.0建立與實車結構一致的后門有限元模型，見圖1。該有限元模型包括后門鈑金件和門鉸鏈。

2.2 邊界條件及工況載荷步

以某SUV后門為例，在車門后角點進行加載，如圖2所示。分析邊界條件：在整車坐標系下，門鉸鏈處約束123456，門鎖處約束23。載荷步一：考慮自重(方向垂直于窗框密封面)；載荷步二：后角點施加垂直于窗框密封面的載荷180 N；載荷步三：持續加載到360 N；載荷步四：移除外載荷。

2.3 原方案側向剛度CAE分析結果

該分析項為非線性分析，采用ABAQUS進行計算分析[3]，利用HyperView后處理查看側向剛度的位移云圖，記錄加載點在各載荷步下的Y向位移值。圖3是各載荷下的Y向位移值。

圖2 約束和加載狀態

圖3 各載荷下的Y向位移(原方案)

分析結果如表1所示，載荷為180 N時的Y向變形為6.836 mm,不滿足CAE目標值；移除外載荷的殘余變形為0.94 mm，滿足目標值。

表1 分析結果和目標值的對照(原方案) mm

3 優化方案及相應CAE分析

3.1 側向窗框剛度優化

從分析結果可以看出：載荷為180 N時的剛度值不滿足要求，需要進行優化分析。如圖4所示，加載180 N的應變云圖顯示，最大應變主要集中在門鎖加強板處,說明該處結構相對比較薄弱，對側向窗框剛度的影響較大。

針對以上描述，如要提高Y向剛度，需提高門鎖加強板在Y向的剛度，因此對其結構進行了優化。優化前，門鎖加強板板厚1 mm，且與門內板間的2層焊有5個焊點。優化后，在門鎖加強板上單獨增加一塊鈑金，材料為B340/590DP，厚度為1 mm，與內板的焊接采用3層焊，且焊接區域分布10個焊點，如圖5所示。

上述優化方案相當于增加了門鎖加強板的局部厚度，使其在Y向強度增加，能很好地提高側向窗框剛度，且在運輸過程中窗框不易發生變形，保證了產品的可靠性[4]；與內板的焊接區域，新增5個焊點，也有利于Y向剛度的提升，進一步保證了產品的穩定性。經量產化工程師評估，該方案的工程化具有可行性。

圖4 優化前應變云圖

圖5 優化前后結構示意

3.2 側向窗框剛度優化CAE驗證分析

將優化方案進行網格更新，利用HyperMesh前處理進行約束和加載，采用ABAQUS進行非線性計算分析，在后處理軟件HyperView中查看側向剛度的位移云圖，記錄相應載荷步下加載點的Y向位移值，如圖6所示。

圖6 各載荷下的Y向位移(優化方案)

優化后分析結果如表2所示，載荷為180 N時的Y向變形為5.452 mm，移除外載荷的殘余變形為0.708 mm，均滿足CAE目標值。

表2 分析結果和目標值的對照(優化方案) mm

4 優化后試驗驗證

基于優化CAE分析結果，制作樣件3個，分別標記為1號、2號、3號，利用工裝和夾具對后門進行相應的約束，采用重量塊進行多次加載,測量位移的設備是千分表。圖7為某SUV后門側向窗框剛度試驗現場。

圖7 某SUV后門側向窗框剛度試驗現場

根據CAE的工況載荷步，載荷加載到360 N，分10次加載得到下面試驗結果，如表3所示。

表3 優化方案側向窗框剛度試驗表

根據優化后的測試結果和CAE分析結果，輸出相應的曲線進行對比，如圖8所示：測試曲線和CAE分析曲線相比，趨勢基本一致，誤差在5%以內，在誤差可接受范圍，因此對標狀態良好[5]。

圖8 加載點力-位移曲線(后門靠近C柱角點加載)

對比分析結果，如表4所示，測試值滿足目標值，說明該優化方案可以運用到量產化中。

表4 仿真分析與測試的對比結果 mm

5 結論

門的側向窗框剛度在一定程度上會影響門的品質。通過CAE分析得到結果，若不滿足CAE目標值，可以查看應變分布，找到剛度薄弱處，并對該處進行有效的優化。按優化方案制作樣件，在實車上進行測試驗證，驗證通過，說明該方案可以運用于量產，有效縮短車門開發周期、降低開發成本、保證設計質量。