基于有限元仿真的某車門輕量化分析

王 祥，張 軍，田志俊，王康樂，馬奇驥

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003）

隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的推進，未來制造業對于低能耗高性能產品的需求將越來越緊迫。汽車產業作為國民經濟的一大支柱產業，在制造業中具有舉足輕重的地位。近年來，輕量化作為汽車行業的熱門研究方向正受到越來越多的關注，其對于推進行業的節能降耗具有重要意義[1]。

本文采用有限元仿真的方法，研究對象為國內某主機廠一款商務車車門。首先運用 Hyper Works軟件對主機廠預選材車門進行模態、垂向剛度、靜強度仿真分析，各項指標滿足要求。分析結果顯示，車門存在輕量化空間。采用優化零件數量、激光拼焊及材料厚度減薄的方式設計了車門的輕量化方案，并對輕量化車門進行各項性能的仿真分析，綜合評估顯示輕量化車門各項性能滿足主機廠要求。

1 預選材車門性能分析

1.1 車門預選材方案及有限元模型

主機廠首先針對車門各主要零部件進行了預選材，獲得用材方案如表1所示。

表1 車門各零部件預用材方案

采用HyperMesh進行有限元建模，如圖1所示。網格尺寸選擇8 mm，網格劃分完成后，車門所有零部件共有節點42 001個，網格單元42 123個，其中四邊形單元40 689個，三角形單元1 434個，三角形單元占比3.4%。一般認為三角形單元占比小于6%模型質量為良好。

圖1 車門有限元模型

1.2 車門自由模態分析

汽車在行駛過程中會受到路面不平及發動機怠速等所帶來的振動，車門的固有頻率需避開外界因素導致的振動頻率，否則引起共振將嚴重危害車門的密閉性及帶來異響[2]。車門的自由模態避開外界的激勵頻率能有效避免共振帶來的危害[3]。

通過HyperMesh進行有限元建模及前處理，提交OptiStruct求解計算，在HyperView中查看自由模態計算結果，顯示一階非剛體模態頻率為31.74 Hz，如圖2所示。振型為內板中部彎曲，后續更高階模態頻率均高于一階頻率，滿足高于外界激勵24 Hz的要求。

圖2 一階彎曲模態

1.3 車門垂向剛度分析

車門的垂向剛度是衡量車門結構性能的一個重要指標，若垂向剛度不足將導致車門變形，影響開閉，嚴重情況將導致車門失效[4]。根據主機廠要求，在門鎖處加載1 000 N垂直向下的力，約束門安裝鉸鏈處 6個方向的自由度。在 HyperView中查看計算結果，顯示門鎖處的垂向位移為1.63 mm，如圖3所示。由式（1）計算得，車門的垂向位移為 612.45 N/mm，滿足主機廠不低于400 N/mm的要求。

圖3 門鎖處垂向位移

式中，EI為垂向剛度；F為加載力；ΔZ為加載點最大垂向位移。

1.4 車門靜強度分析

加載1 000 N垂直向下的力后，車門會產生變形，車門內的最大應力不能超過車門用材的屈服極限，否則車門將會產生塑性變形甚至斷裂。計算結果顯示，車門的最大應力出現在內板的下方鉸鏈附近，最大應力值為 109 MPa，車門內板的預選材為DC04，其屈服強度下限為130 MPa，其余零部件內應力均未超過材料的屈服極限，如圖4所示。

圖4 車門應力分布

1.5 車門柱碰安全分析

車門的安全性能測試一般采用側面柱碰的試驗方法，根據相關實驗標準《汽車側面碰撞的成員保護》（GB 20071—2006），按照標準要求對車門添加約束并放置碰撞圓柱，設置圓柱初速度為50 km/h，總計算時間為0.025 s，考察車門的最大侵入量[5]。通過計算，本車門向艙室內的最大侵入量為364.8 mm，如圖5所示。

圖5 車門柱碰最大侵入量

2 輕量化方案設計

根據車門各項性能的計算結果，車門的用材存在優化空間，可以進行輕量化設計，客戶要求減重至少5%。從降低用戶成本的角度，采用去掉門內板左側加強板、內板坯料采用激光拼焊的方式設計輕量化方案一，除拼焊部分外所有零部件牌號及厚度不變；輕量化方案二為內板左側加強板厚度減為1.4 mm、內板厚度減為0.7 mm，其余零件厚度不變。輕量化方案有限元模型如圖 6和圖7所示。

圖6 車門輕量化方案一

圖7 車門輕量化方案二

新方案的輕量化效果如表2所示。

表2 兩方案輕量化效果對比

3 輕量化車門性能分析

3.1 方案一車門性能分析

針對輕量化方案一車門，依照前述方法開展車門的模態、垂向剛度、靜強度分析，結果顯示車門的一階非剛體模態為 30.21 Hz；門鎖處垂向位移為1.44 mm，根據式（1）計算得垂向剛度為694.44 N/mm，振型為內板中部彎曲；最大應力依然出現在內板的下方鉸鏈附近，最大應力值為98.16 MPa，如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 輕量化車門一階非剛體模態

圖9 輕量化車門門鎖處垂向位移

圖10 輕量化車門應力分布

通過方案一車門的柱碰安全仿真分析發現，車門的最大侵入量為366.5 mm，如圖11所示，比原車門侵入量增加1.7 mm，增幅0.47%。此結果也與車門的柱碰安全性能主要與防撞桿強相關的研究結果相契合[6]。

圖11 方案一車門柱碰最大侵入量

3.2 方案二車門性能分析

依照前述方法開展輕量化方案二車門的模態、垂向剛度、靜強度分析，得到車門的一階非剛體模態為30.42 Hz；門鎖處垂向位移為1.97 mm，計算得垂向剛度為507.61 N/mm，振型為內板中部彎曲；最大應力出現在內板的下方鉸鏈附近，最大應力值為133.5 MPa，已超過內板材料的屈服強度。如圖12—圖14所示。

圖12 輕量化車門一階非剛體模態

圖14 輕量化車門應力分布

圖13 輕量化車門門鎖處垂向位移

3.3 各方案性能對比分析

輕量化車門性能分析的各項結果均滿足主機廠要求，個別性能甚至優于原車門。優化前后兩個方案車門各項性能與原車門性能對比如表 3所示。

表3 輕量化車門與原車門各項性能對比

4 總結

基于有限元仿真分析的方法，采用 Hyper Works分析了原用材車門的模態、垂向剛度、靜強度，結果顯示符合主機廠要求。后采用去掉內板左側加強板、內板坯料，采用變厚度激光拼焊及材料減厚的方式設計了兩種輕量化方案車門。針對輕量化車門的性能分析顯示，方案一車門的各項性能及輕量化指標滿足主機廠要求，且安全性相比原車門變化極??；而方案二車門下垂工況的靜應力超過材料的屈服強度，無法滿足車門的安全使用。相關仿真分析結果可以為主機廠基于馬鋼材料的車門優化設計提供參考。