某SUV左前車門靜態(tài)剛度的有限元分析

許佳斌， 張瑞乾， 曹國棟

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京100192）

0 引言

車門作為車身結(jié)構(gòu)的重要組成部件，其通過鉸鏈與車身連接，與車身一起為乘客提供安全的乘坐空間。車門主要由車門外板、車門內(nèi)板、窗框加強板、門鎖加強板、鉸鏈安裝板、防撞桿和鉸鏈等組成［1］。車門剛度是車門設(shè)計中的重要參數(shù)之一，直接影響整車的舒適性和安全性［2-3］。因此，在汽車開發(fā)設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對車門結(jié)構(gòu)中存在的問題進行優(yōu)化處理，從而提高產(chǎn)品整體的質(zhì)量和性能。

本文利用有限元方法，通過計算機仿真對某款SUV前車門的模態(tài)、下沉剛度、扭轉(zhuǎn)剛度進行了分析與計算，發(fā)現(xiàn)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，為提高車門性能提供了參考依據(jù)。

1 建立車門有限元模型

首先，在CATIA軟件中，根據(jù)車門的設(shè)計尺寸建立車門的三維幾何模型，如圖1所示，然后導入到有限元分析軟件HyperMesh中進行幾何修復，對于車門結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布影響很小的某些功能件和非主要承載件進行模型的簡化，如忽略直徑小于16 mm的圓孔、半徑小于5 mm的過渡圓角和倒角，以此獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，提高求解精度。前車門所有薄板沖壓成型件均采用四邊形Quads和三節(jié)點三角形Trias殼單元，單元尺寸控制在4～17 mm，平均單元尺寸控制在10 mm，殼單元共14 749個，三角形單元1 025個，占6.95%（<8%）；采用剛性的RBE2單元模擬焊點，weld焊點共87個，同時用Rigid模擬螺栓連接，剛性連接點共145個，最后定義各零件的材料屬性［4］。建立的車門有限元模型如圖2所示。

圖1 車門三維CAD模型

圖2 車門有限元模型

2 車門靜態(tài)剛度有限元分析

2.1 車門自由模態(tài)分析

左前車門作為整車中非常重要的一個結(jié)構(gòu)部件，在設(shè)計時，其一階固有頻率應(yīng)該避開道路激勵頻率、傳動軸激勵頻率以及發(fā)動機激勵頻率，從而避免發(fā)生共振，產(chǎn)生振動噪聲，影響乘員舒適性。

對車門進行自由模態(tài)分析時，車門處于無約束和無加載工況，求解得到前4階自由模態(tài)固有頻率和振型，如表1所示。

表1 車門模態(tài)計算結(jié)果

從分析得到結(jié)果看，第一階模態(tài)僅有23.4 Hz，頻率值偏低，為避免共振現(xiàn)象應(yīng)該進行改進。

2.2 車門下沉剛度分析

由于對車門剛度的評價沒有相應(yīng)的標準法規(guī)，所以在對該車車門的下沉剛度分析中，需要參考典型車車門的特征值來判斷其下沉剛度是否滿足要求。參照實驗規(guī)定要求，車門除受重力外，在車門內(nèi)側(cè)把手處施加1000N垂直向下的載荷，并在車門鉸鏈處進行全約束，對車門開啟15°和68°兩種工況進行分析，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

分析得出加載點在車門開啟15°和68°時，殘余變形分別為4.0mm和2.76mm；最大變形為11.2mm和9.1mm，而一般對車門的下沉要求是小于2 mm，表明該車門的下沉剛度較差。由應(yīng)力云圖可知，引起殘余變形的主要原因是車身前門鉸鏈安裝位置的塑性變形。

2.3 車門扭轉(zhuǎn)剛度分析

結(jié)合車門的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求，考慮到車門前端的剛度要大于后端的剛度，從而確定計算車門扭轉(zhuǎn)剛度的約束和加載方式:約束方式均為車門鉸鏈處，Dx=0、Dy=0、Dz=0，Rx=0、Ry=0；門鎖處，Dx=0、Dy=0，Dz=0；加載方式為：

圖3 車門加載點位移

圖4 車門鉸鏈安裝位置應(yīng)力云圖

工況1：在車門內(nèi)板右上角施加大小為183 N的Y向節(jié)點力；

工況2：在車門內(nèi)板右下角施加大小為183 N的Y向節(jié)點力。

兩種工況的Y向位移云圖如圖5所示，Y向位移分別為6.32 mm和0.82 mm，由工況1、2下的最大位移量計算，得到扭轉(zhuǎn)剛度分別為29 N/mm和223 N/mm。

圖5 兩種工況下Y向位移云圖

3 結(jié)語

在車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，車門剛度是車門設(shè)計的重要性能參數(shù)之一，是車門性能的主要評價指標。車門的結(jié)構(gòu)性能要求除了要有必要的開度、密封性、工藝性好外，最重要的是要安全可靠，滿足剛度、強度以及小的振動性能的要求。本文利用有限元方法，對某款SUV前車門的靜態(tài)剛度進行了分析計算，發(fā)現(xiàn)該車門在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在缺陷，這對車門今后的改進具有一定的指導意義。

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