基于HyperMesh的某乘用車門外板抗凹分析及優化

馬佳佳

（比亞迪汽車有限公司 汽車工程院，陜西 西安 710300）

隨著汽車產業的發展，國家政策導向及用戶需求的不斷提升，汽車的性能越來越受到廣大用戶的關注[1]。其中車門既是整車外覆蓋件的重要組成部分，又是一個相對獨立的總成，通常由車門外板、車門內板、加強版、門鎖等一系列零部件焊接而成，其性能的好壞，對車內乘員的安全性及舒適性有較大的影響，并且直接關系到用戶對車輛的評價。

車門抗凹性，反映的是外板在受到外部載荷時，抵抗局部凹陷、變形的能力，是用戶主觀評價的重要因素[2]，其性能的優劣，會對車輛在高速行駛過程中的抖動有一定的影響。針對其抗凹性能的評估，行業內普遍做法是考察加載點的變形量、是否存在油罐現象，以及殘余變形量是否符合設定的目標值，且為了增加車門外板的剛度，通常會在內外板之間增加支架，增加板材料厚，優化板材結構或者在外板內側增加補強膠片，來使其滿足設計要求。在設計與實驗時，車門的抗凹性能通常是以某載荷作用下，加載點產生的位移來作為檢驗的依據。因此，本文主要針對我司某款后車門某壓點位移不達標進行優化，并進行實驗驗證。以此來提高車門外板的抗凹能力，并為同行業工程師提供相關問題的解決思路。

1 數值模型建立

1.1 模型建立

通過三維建模軟件將車門總稱導出為.stp 等HyperMesh 可識別的文件，并導入HyperMesh 中進行網格劃分前的幾何清理。忽略對車門抗凹性能影響較小的細小孔、螺栓、圓角等其他特征，保留主要特征。由于車門總成主要為薄壁結構，因此，采用抽取中面，鋪平面殼網格，并控制單元長寬比，翹曲，雅克比，單元角度，三角形占比等參數，來保證較高質量的網格。

為保證計算精度，車門總成主要單元尺寸為6 mm×6 mm，車門外板加載區域單元尺寸采用3 mm×3 mm，單元類型為S3 和S4。壓頭使用半球形結構，直徑30 mm，壓頭外表面采用殼單元模擬，賦予剛體材料，整個車門總成模型中三角形單元比例為3.6%，有限元模型如圖1 所示。

圖1 車門有限元模型

1.2 材料屬性

車門外板的屈曲抗凹分析是典型的非線性問題，為保證分析的準確性，本文充分考慮了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性[3]。零部件之間采用coupkin、solid 等單元來模擬螺栓連接、焊點連接和粘膠連接。由于車門外板抗凹屬于準靜態分析，可以忽略材料的應變率對分析結果的影響。本文中所有材料的應力應變曲線均通過電子萬能試驗機進行拉伸試驗獲得，有限元模型中材料屬性如表1 所示。

表1 主要零部件材料

1.3 邊界條件

移動壓頭至目標點，在壓頭與車門外板之間建立接觸對。接觸對通常選用剛性較大的結構作為主面。因此，選擇壓頭作為接觸主面，車門外板作為接觸從面，摩擦系數為0.15，添加有限滑移約束，約束鉸鏈安裝點與門鎖扣安裝點123456自由度，約束壓頭中心點除加載方向之外的其他自由度，加載方向為車門外板法向，在壓頭上加載200 N 集中力，然后卸載。

2 車門抗凹優化設計

2.1 優化方案

針對本文中所述測點抗凹性能不滿足要求的問題，提出以下優化方案1 與方案2 與原始方案進行對比：1）改變外板加強板的結構，將初始加強板兩邊向下折彎，中部朝外車門外板側向上凸起中間涂抹減振膠，變更為中間反向朝向車門內側凹陷，兩側翻邊涂膠，同時，將加強板的凹槽深度由原10 mm 增加至18 mm，此種方法可以有效增加加強版與車門外板涂膠面的寬度，從而在一定程度上增加外板剛度，針對此方案進行仿真分析。2）在外板加強板變更的基礎上，壓點位置外板內側粘貼150 mm×100 mm×1.5 mm 補強膠片，再次進行仿真分析。優化方案如圖2 和圖3所示。

圖2 優化方案1

圖3 優化方案2

2.2 結果分析

針對原始方案中加載點位移為5.79 mm，不滿足≤5 mm 的目標值的問題。對以上2 種優化方案進行驗證，輸出優化方案與原始方案的位移載荷對比曲線如圖4 所示，分析結果如表2 所示。

圖4 測點位移載荷曲線

表2 分析結果 單位：mm

從計算結果可以看出，方案1 與方案2 均增加了車門外板的局部剛度，使外板的抗凹性能得到較大幅度提升，方案1 與方案2 加載點位移與原結構相比分別減小了13.3%和21.9%，且優化后外板抗凹性能達到目標范圍。

3 實驗驗證

基于優化的仿真分析結果，制作樣件1、樣件2 分別與方案1、方案2 對應。利用絲杠加載，由位移傳感器控制位移（分辨率0.01 mm）、力傳感器控制加載值（分辨率1 N），利用輕量化材料應用測試系統（AMM-200-I）采集數據，壓頭直徑30 mm。實驗過程如圖5 所示，對目標點進行試驗驗證，試驗結果如圖6 所示。

圖5 車門抗凹試驗

圖6 試驗結果

試驗結果與仿真結果進行對比分析，結果如表3 所示。

表3 試驗與仿真結果對比分析 單位：mm

對比表3 分析結果，可以得出，樣件1 與樣件2 均滿足目標值，且方案1 外板加強板結構優化已滿足目標值，方案2 增加補強膠片可以進一步提高車門外板的局部剛度，提升其抗凹性能。仿真分析結果與試驗結果有較好的一致性，說明了仿真結果的準確性，但綜合評估經濟性與整體性能方面的最優化，可以將方案1 運用到實際量產中。

4 結論

本文針對某轎車車門外板抗凹性能進行優化，通過變更車門外板加強板結構與增加補強膠片，來提升外板的抗凹性能，并進行仿真分析與實驗驗證，得出如下結論：

1）試驗與仿真有較好的一致性，說明仿真分析的準確性。

2）優化車門外板加強板與增加補強膠片均可以提升外板的局部剛度，提升其抗凹性能。

3）變更外板加強板結構對車門外板抗凹性能提升明顯，使其能夠達到目標值，且變更后的外板加強板可以一定程度上提升車門的側面碰撞性能?；诮洕缘脑?，增加補強膠片可以作為外板剛度進一步提升的備選方案。

上述結論為后續車型開發過程中車門抗凹性能的提升奠定了基礎，為后續車門性能的深入研究提供了方向。