某型貨車車門下沉剛度分析及改進設計

谷同金 張代勝 張愛軍 李楠

摘要：利用Hypermesh軟件對某貨車車門進行有限元建模及下沉剛度仿真分析，得到車門應力、應變云圖，進行該車門的下沉剛度試驗，對比分析仿真結果和試驗所得下沉變形數據，提出改進措施并計算驗證。結果表明，車門有限元模型能反映實際結構的剛度特性，改進后的車門滿足車門下沉剛度的要求，該方法為新車門的研發提供了依據。

關鍵詞：車門；下沉剛度；有限元；Hypermesh

中圖分類號：U463.83+4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）02-0036-03

Sag Stiffness Analysis and Improvement Design of Truck Door

GU Tong-jin，ZHANG Dai-sheng，ZHANG Ai-jun，LI Nan

（School of Machinnery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract: Finite element modeling and sag stiffness simulation of truck door were conducted by using Hypermesh software，the stress cloud and strain cloud. Sag stiffness test of the door was carried on，simulation results and experimental data of sag distortion were compared and analyzed.Put forward the improvement measures and computing verification，the results show that the finite element model of the door reflects the actual structure of the stiffness and the improved door meets the requirements of the sag stiffness.The method provides basis for further research and development of new door.

Key words: truck door；sag stiffness；finite element；Hypermesh

車門是車身設計中重要而又相對獨立的部件，由門體、附件和內飾件等組成。作為一個綜合性的轉動部件，車門和駕駛室一起組成乘員的周圍空間，應具有良好的振動特性及足夠的強度和剛度，滿足車門閉合時耐沖擊性能和側碰時抗碰撞性能［1］。車門承受著來自道路激勵、駕駛室以及附件的各種載荷作用，傳統分析方法難以進行。

本文針對某型貨車門在使用過程中由于下沉剛度不足造成了漏風、滲水、行駛過程中車門振動等問題，通過建立車門有限元模型，對其下沉剛度進行了仿真，同時對該車門進行了下沉剛度試驗，對比仿真數據和試驗數據，找出車門存在的問題，并進行改進及二次分析，為新車門的優化設計提供了依據。

1 車門有限元模型

車門有限元模型的構建采用Hypermesh軟件，求解器采用OptiStruct軟件，計算結果在Hyperview中進行后處理。

車門的全部板件采用四邊形和三邊形的板殼單元來模擬，對車門結構進行適當的簡化，形成適合有限元劃分的簡化幾何模型。網格密度大小取10 mm，焊點采用spotweld剛性連接方式模擬，螺栓采用rigid單元模擬。車門的有限元模型如圖1所示，單元總數為36 580個，四邊形單元數為35 300個，三邊形單元數為1 280個，其中，三邊形單元數占單元總數的3.5%（<10%）［2］。

2 車門有限元剛度分析

2.1 約束類型及加載方式

工況1約束方式：門鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門鎖處僅dof2=0。

加載條件：車門自重，無其他加載條件。

工況2約束方式：門鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門鎖處僅dof2=0。

加載條件：在門鎖處加載980 N的Z向集中力。

dof1 、dof2、 dof3分別表示X、Y、Z方向的平動自由度，dof4、dof5、dof6分別表示X、Y、Z方向的轉動自由度。加載方式如圖2所示。

2.2 下沉分析與結果

工況1中，車門只受自重而不受其他載荷作用影響，變形量微乎其微，故本文重點分析討論工況2，車門位移分布云圖及應力分布云圖如圖3所示。

（1） 最大應力位于車門內板與鉸鏈連接處，應力值為388 MPa，此處表現為局部應力集中，與鉸鏈約束有關，而鉸鏈周圍內板應力多在260 MPa左右。

（2）車門最大垂向位移處在門框右上部，最大Z向變形量為5.31 mm，而只受重力載荷工況下最大位移同樣出現在門框右上部，位移值為0.41 mm。加載工況下車門鎖芯處的Z向變形量為3.92 mm。參考車門下沉剛度一般評價標準為車門鎖芯處Z向位移量<3.5 mm［3］。顯示此車門剛度不足。

3 車門剛度試驗分析

3.1 剛度試驗測試方法

為建立車門剛度評價標準及驗證有限元剛度分析的結果，采用試驗法對該車門進行了下沉剛度試驗。就車門本體而言，將車門安裝在剛性柱上。在距轉軸點990 mm處逐級施加Z向至100 kg 的載荷，并逐級卸載，測量車門變形情況并進行分析。為保證所測數據的準確性，采集三組數據取均值。試驗車門如圖4所示。

采用分級加載法，用標準砝碼逐級施加/卸載載荷并逐級測取響應信號，通過位移傳感器將位移響應輸入靜態位移測試儀，再通過DH3816應變測量系統采集數據，從而得出車門在各級加、卸載狀態下的變形量。

3.2 試驗結果分析

車門剛性柱安裝狀態下，逐級加載與卸載時車門Z向位移見表1，相關數據繪制成圖5。

由試驗所得數據得知，在加載100 kg狀態下，車門Z向最大變形量為5.15 mm，而有限元剛度分析Z向最大變形量為5.31 mm，二者相近，誤差僅為3.1%，表明該模型可以反映車門剛度特性及可以用于進一步改進設計分析。

4 改進方案與計算結果

由于此款車型已經上市，車門系統作為駕駛室總成的子系統，不能做大的改動，所以在不改變車門部件位置關系并設法提高車門下沉剛度的原則下，采取了如下多種試算方案：

a）車門外板厚度由0.8增加至1.0 mm；

b）車門內板厚度由0.8增加至1.0 mm；

c）車門內板加強板厚度由0.7增至1.2 mm；

d）車窗上框加強板厚度由0.7增加至1.2 mm；

e）側碰防撞梁厚度由0.7增加至1.2 mm；

f） 防撞梁后支架厚度由0.7增加至1.2 mm；

g）鉸鏈安裝加強板厚度由1.5增加至2.0 mm；

h）內板與鉸鏈加強板之間焊點數增加8個。

改進效果如表2所示。

由表2可知，改變車門內板、車門內板加強板、側碰防撞梁及防撞梁后支架的厚度對車門下沉剛度的改善效果不明顯。而改變車門外板的厚度對下沉剛度的改善效果較為明顯，但車門外板厚度的改變又會帶來其他問題，比如車門質量的增加不利于輕量化設計，大板件厚度的改變增加沖壓成型的難度等［4］。因此，增加鉸鏈安裝加強板、車窗上框加強板厚度以及適當增加內板與鉸鏈安裝加強板之間增加焊點數可以作為改善車門下沉剛度的優先選擇。基于上述比較，本文采用方案d、g、h，經過計算，車門最大Z向下沉量由5.31 mm降為3.87 mm，車門鎖芯處為2.83 mm，滿足車門下沉剛度要求，另一方面，車門結構應力也得到改善，最大應力仍出現在車門內板與鉸鏈連接處，由388 MPa降為223 MPa。

5 結束語

車門下沉剛度的計算與分析是車門結構設計優化中的重要環節，車門下沉剛度也是車門剛度設計中的重要指標之一［5］。本文通過有限元法對某型貨車車門進行下沉剛度分析，并通過對比試驗驗證了模型的準確性，基于分析結果提出了切實可行的改進方案，為車門的進一步優化提供了參考依據。

廣義車門系統包括車門本體、車門鉸鏈、車門鎖及車身門框等。在載荷作用下除了車門本身變形外，車身門框變形也會影響到車門的密封性等。因此，完整的車門分析應包括車門及車身門框變形，這一問題將另文討論。

參考文獻：

［1］ 黃金陵.汽車車身設計［M］. 北京:機械工業出版社，2008，279-289.

［2］ 譚繼錦，張代勝.汽車結構有限元分析［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［3］ 韋勇，李佳，成艾國.基于有限元法的轎車后車門剛度分析［J］.機械工程師，2010，8：75-77.

［4］ 趙建寧.轎車后車門動態特性分析［J］.汽車科技，2009，（4）：30-33.

［5］ 萬德安，趙建才．轎車車門剛度有限元分析及結構優化［J］.汽車工程，2001，23（6）：385-388.