某乘用車車門表面剛性分析及優化

摘 要：使用HyperWorks軟件建立了某乘用車車門有限元模型，對車門外板進行靜態分析、屈曲分析和約束模態分析，確定出車門表面剛性分析中的加載點位置。對車門進行表面剛性分析，得出該車門存在表面剛性不足的問題，通過對車門表面剛性薄弱的地方進行結構強化，提高了車門表面剛性性能。

關鍵詞：表面剛性；車門；隱式算法；有限元

1 概述

車門外板尺寸大、帶曲率、有一定預變形，在使用過程中常常受到外載荷的作用，例如人為的觸摸按壓、靜載荷以及行進過程中的振動以及掉落的樹枝，碎石沖擊載荷等。這些載荷往往使車門外板發生凹陷撓曲甚至產生局部永久凹痕。表面剛性是評價和反映車門表面質量和使用性能的一項重要指標和特性，對車門進行表面剛性分析可預測車門外板薄弱區域，為車門設計和選材提供參考[1]。對車門表面剛性的評價，早期是基于試驗完成的，隨著有限元數值模擬技術的飛速發展，通過數值模擬板材在靜、動態凹陷情況下的抗凹性能，對預測和評價板材的表面剛性具有指導意義。在設計和實際生產過程中，車門表面剛性是以定載荷作用下產生的局部位移作為評價依據，若局部位移小于檢驗位移水平，則車門的表面剛性性能合格[2]。文章基于某乘用車車門有限元模型，利用ABAQUS/Standard 隱式算法對其進行表面剛性分析，為車門的結構設計、選材以及實現車門輕量化提供了數據支持和理論指導。

2 有限元模型的建立

在分析車門的表面剛性時，主要考慮車門外板受力變形情況，可以去除一些無關緊要的車門附件，去除附件后的車門主要由車門內外板及其加強件、玻璃導槽、防撞梁及其安裝支架、門鎖加強件、鉸鏈及其加強件等組成。車門主要采用四邊形殼單元進行結構建模，目標單元尺寸8mm×8mm，殼單元總數76335個，三角形單元占比4.2%，符合單元質量建模要求。在結構簡化方面：車門外板和內板的連接采用包邊的方式處理；車門鉸鏈采用殼單元建模，用梁單元模擬鉸鏈軸并釋放其旋轉方向的自由度；焊點采用RBE3-實體單元-RBE3單元；膠粘采用RBE2-實體單元-RBE3單元。建立完成的車門有限元模型如圖1所示。

車門表面剛性分析需要進行抗凹性試驗，文章通過在抗凹加載點處加載剛性壓頭來模擬這一試驗。剛性壓頭采用直徑12mm的圓柱形剛性面模擬，模型建模全部采用四邊形殼單元，目標單元尺寸10*10mm。

3 車門表面剛性分析

3.1 加載點位置的確定

在表面剛性分析中加載點位置的確定主要通過以下三種方法：

方法一：對后門外板施加單位載荷的面壓，靜態分析找出外板位移最大點作為加載點，并命名其為加載點1。方法二：對后門外板施加單位載荷的面壓，屈曲分析找出外板可能發生屈曲的位置，并命名其為加載點2。方法三：對后門進行約束模態分析，找出外板剛度薄弱的地方作為加載點，由分析結果結合實際經驗確定了兩個加載點，并分別命名為加載點3和加載點4。

3.2 根據確定的加載點分別進行表面剛性分析

3.2.1 分析邊界條件

固定車門，約束車門鉸鏈和門鎖的所有自由度，壓頭在局部坐標系下釋放Z向自由度（垂直面板方向）。對壓頭中心先施加40N載荷，后施加100N載荷查看變形情況[3]。

3.2.2 計算結果

在HyperWorks中將建立好的車門表面剛性分析有限元模型導出為inp格式文件，通過ABAQUS/Standard求解器計算出各加載點分別在40N和100N載荷下各自的最大變形量，如表1所示。根據公司要求，加載點處在40N載荷下的最大變形量不超過1mm，100N載荷下不超過3.5mm。通過表1可以看出加載點1處在100N載荷下變形量超標，加載點1處表面剛性不足，因此需要對該處進行相應的優化分析。

3.3 優化分析

文章針對車門外板表面剛性不足，在加載點1處粘貼100*120mm補強膠片進行局部結構強化。由于只有加載點1處在100N載荷下變形量超標，因此接下來的優化分析計算只針對該種情況，計算得到優化后加載點1處的最大變形量為2.239mm，位移云圖如圖2所示，變形量符合公司要求，車門表面剛性合格。

4 結束語

基于有限元方法對車門進行了結構分析，找出了車門外板的薄弱區域并對這些區域進行表面剛性分析，發現該車門存在表面剛性不足的問題。采取粘貼補強膠片的方法對車門表面剛性薄弱區域進行局部結構強化，最終車門表面剛性滿足要求。

參考文獻

[1]Lu Fang， Wang Deng-feng. Structure optimization of door-beam base on strength of side doors[C]//Trans-portation， Mechanical and Electrical Engineering （TMEE）.USA：[s.n.].2011：766-769.

[2]Shi M. Michel P， Bucklin P. Static and dynamic dent re-sistance performance of automotive steel body panels [Z].SAE Technical Paper，1997，1：58.

[3]李東升，周賢賓，呂曉東.汽車板抗凹性評價體系及試驗機系統[J].北京航空航天大學學報，2003，29（5）：467-470.

作者簡介：蔡永賓（1990-），男，漢族，河南省駐馬店市，學生，碩士，重慶交通大學，研究方向：現代車輛設計方法與理論。