車門內板和外板的擠壓剛度分析及優化

陶沙，徐進磊，石國奧，彭子語，沈保山

無錫職業技術學院汽車與交通學院，江蘇無錫 214121

0 引言

車門作為駕駛員和乘客出入車輛的通道，是車身總成的重要組成部分，其密封性可隔絕車外干擾；其防撞性能，可在一定程度上減輕側面撞擊，保護乘員；其開合便利性可為駕乘人員上、下車輛提供方便。而車門剛度是支撐車門以上性能基礎，若車門剛度不足，會導致變形，影響外觀間隙平度、密封條的密封性，造成噪聲加大和高速振響等問題，甚至影響車門的防撞性能，所以車門剛度控制一直是汽車設計過程中必不可少的重要環節，通常通過控制車門扭轉剛度、下沉剛度、側向剛度及內外板擠壓剛度等方面來保證車門的各項性能。車門內板和外板擠壓剛度作為車門剛度性能控制的重要組成部分，其性能優劣將直接影響到車門密封性能及玻璃升降的穩定性，從而影響到車身的NVH性能。為此，本文以某車門為例，利用有限元法計算了車門內板和外板的擠壓剛度，并對其結構進行了優化改進，以提升其剛度性能。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何處理及網格劃分

車門總成是由柔性鈑金件組成，厚度較小，且其在厚度方向的尺寸相對于其長度方向來說要小很多，所以一般采用殼網格。在將車門三維模型導入ANSA軟件后，對其進行幾何清理、幾何修復、抽取中面；然后進行幾何簡化，將直徑小于7 mm的孔、半徑小于3 mm的圓角以及深度或高度小于3 m的凹坑和凸臺去除，以保證網格劃分質量；最后采用殼單元對其進行離散化，網格劃分過程中主要以四邊形網格為主，對其中一些復雜的部件可以采用少量三角形單元進行劃分。但是為了保證計算的精度，三角形網格的數量不得超過網格單元總數的5%。

因本車門鉸鏈為厚度較厚的鑄件，且形狀規則。為了保證計算精度及不耗費較大的計算資源，對其采用單元長度為3 mm的六面體實體網格劃分。

一般來說，網格單元劃分得越細，網格單元數量就越多，有限元模型就越能表達零件的幾何特征，相應地有限元模型計算結果的精度也就越高，但是計算時間也會明顯增加。因此，在劃分網格時，應該合理選取網格單元大小，從而得出最優解，即在縮短計算時間的同時保持計算的準確性。因此在本文的車門有限元模型建立中，各部件均采用8 mm大小的網格進行劃分。

該車門總成共生成87 577個節點，64 670個單元，三角形單元比例為1.9%，小于5%的要求。

1.2 有限元模型連接及屬性定義

根據車門總成的實際裝配關系，將車門內板和外板包邊邊界處的節點進行耦合，將包邊公共部分簡化為一排或兩排網格，以此來模擬內板和外板的包邊工藝；采用RBE3-HEXA-RB3焊接類型模型車門電焊連接關系；采用RBE2、RBE3及HEXA的組合單元來模擬車門外板與其加強板間的連接；采用剛性單元 RBE2模擬螺栓連接；利用釋放了軸線旋轉自由度的梁單元模擬車門和車身鉸鏈的銷軸連接關系。

模型搭建完畢后，為各部件附上相應的材料屬性及厚度，使其能夠反映車門真實特性。

1.3 工況定義

車門內板和外板的剛度是指車門內板和外板在承受外界擠壓的情況下抵抗變形的能力，即施加在車門內板和外板上的載荷與施加載荷后車門內板和外板的變形之間的比值關系。

1.3.1 約束定義

為了能夠真實反映車門安裝狀態下的內板和外板擠壓剛度，本文約束了車身側鉸鏈的6個方向的自由度，并約束了除沿鎖柱旋轉外的其余5個方向的自由度，如圖1所示。

圖1 車門工況定義

1.3.2 載荷定義

車門內板擠壓剛度載荷定義：在窗框內板中間位置加載整車向100 N的力，如圖2所示。

圖2 內板加載示意

車門外板擠壓剛度載荷定義：在窗框外板中間位置加載向100 N的力，如圖3所示。

圖3 外板加載示意

2 剛度計算及結果分析

利用Optistruct求解器對該有限元模型進行計算，并在HyperView中查看力作用點在向的位移，其位移云圖如圖4和圖5所示。由此可得，內板和外板的擠壓剛度值分別為88.6 N/m和68.9 N/m。

圖4 內板擠壓位移云圖

圖5 外板擠壓位移云圖

由分析結果可以看出，車門內板剛度值高于標桿車參考值(80 N/m)，而外板擠壓剛度值較小，主要是因為該款車門寬度較大，雖然內板和外板內側均有加強板，但加載點到支撐點的距離較大，導致內、外板擠壓剛度均表現一般，尤其是外板剛度，更是低于標桿車參考值，存在潛在風險，需要進行優化改進。

3 優化設計

3.1 優化方案

提升剛度的解決方案通常有如下幾種：

(1)改變支撐點或加載點，以減小加載點與支撐點的間距，從而提升剛度值；

(2)增加零部件厚度，提升其抗彎能力；

(3)增加特征，如增加各種形式的筋特征，提升剛度值；

(4)增大部件間構成腔體的面積，提升總成的抗彎截面系數，從而提升剛度值。

以上方案中，在車門整體方案不變的情況下，支撐點和加載點位置均無法改變。增加其加強板厚度可以有效提升內板擠壓剛度，但將增加車門質量，有悖于整車輕量化設計的目標。為此，本文以方案(3)和方案(4)為指導，進行結構優化，在質量幾乎不變的情況下提升車門內板剛度性能，具體改進方案如圖6和圖7所示。

圖6 外板腔體改進前后結構

圖7 外板加強板增加局部特征改進前后結構

3.2 優化結果

為了驗證改進方案的效果，對改進后方案進行了剛度再計算，改進后外板擠壓位移云圖如圖8所示。改進后車門外板擠壓剛度值為91.6 N/m，達到參考值要求，較改進前剛度提升了32.9%，效果明顯。

圖8 改進后外板擠壓位移云圖

4 結論

(1)通過對車門進行有限元分析計算，得出車門內板剛度值為88.6 N/m，外板剛度值為68.9 N/m，且外板擠壓剛度值小于標桿車參考值，需要對其進行優化改進；

(2)采用更改加強板結構方式，增大外板加強板與外板所構成腔體截面面積和外板加強板向剛度，使外板擠壓剛度值增加到91.6 N/m，較原剛度提升了32.9%。