基于HyperWorks的汽車車門鉸鏈靜剛度分析

秦濤，蔡元初，李斌

(1.湖北文理學院機械工程學院，湖北襄陽 441053；2.湖北航宇精工科技有限公司，湖北襄陽 441002)

0 引言

車門鉸鏈作為汽車車門的關鍵部件，其設計的安全性直接關系到汽車行駛過程中乘客的安全，因此對車門鉸鏈的剛度要求較高[1-2]。國內各商用車廠家在車門開發過程中尤其重視車門鉸鏈的安全性能，通常采用試驗驗證和市場回饋的方式來說明車門鉸鏈的剛度合理性[3]。然而，這種產品設計、驗證方式周期較長，成本較高，無法滿足現代的快速設計要求。

有限元方法在1960年被提出以后，CAE軟件得到了快速發展，在各行業得到了廣泛應用，國內外大量學者利用CAE分析獲取結構的剛度和強度[4-5]，并借助工程經驗加以改進，大大縮短了結構設計周期，降低了開發成本。本文作者使用CATIA建立車門鉸鏈的三維實體模型，利用有限元分析軟件HyperWorks建立有限元模型，對其進行靜剛度有限元分析，來驗證車門鉸鏈設計的合理性。

1 模型建立

文中開發了一種改進型的車門鉸鏈，利用三維制圖軟件CATIA建立其實體模型，如圖1所示。該車門鉸鏈由鉸鏈板、鉸鏈座、銷軸、襯套和定位螺栓組成，其中鉸鏈板直接與車身連接，鉸鏈座安裝在車門上。

圖1 車門鉸鏈結構圖

2 工況分析及設計要求

2.1 工況分析

根據設計要求，車門鉸鏈需要同時滿足3個方向的剛度，因此需要完成3種工況下的有限元分析。在實際工作過程中，鉸鏈座直接安裝在車門上，添加固定約束，具體的工況設置如表1所示，分別列出了鉸鏈在3種工況下的載荷和邊界條件。

表1 車門鉸鏈工況分析

2.2 設計要求

按照GB 15086-2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》的開發試驗規范[6]，每個車門鉸鏈要同時滿足縱向、橫向以及垂直剛度要求，才能保證車門的安裝剛度要求。具體的評價指標：縱向剛度大于2 500 N/mm，橫向剛度大于2 500 N/mm和垂直剛度大于1 500 N/mm，其方向分別對應坐標軸的X、Z、Y方向。

3 靜剛度有限元分析

3.1 材料屬性

車門鉸鏈中鉸鏈座和鉸鏈板的材料為SAPH440，其他幾個零件的材料為20MnTiB，具體參數如表2所示。

表2 車門鉸鏈材料屬性表

3.2 有限元模型

將車門鉸鏈的三維模型導入HyperWorks中建立有限元模型，采用四面體單元對其進行網格劃分，為了保證單元的有效性，對劃分好的單元逐一進行質量檢查[7]，最終得到有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3.3 有限元分析

在HyperWorks中對車門鉸鏈設置完載荷和邊界條件后，進行剛度分析，得到3種工況下的位移分布云圖如圖3所示。

在得知車門鉸鏈變形量后, 可以通過式(1)計算車門鉸鏈的靜剛度[8]：

(1)

式中：K為結構剛度；P為載荷；U為位移。

在計算靜剛度時，一般選擇最大的變形量，即縱向、橫向、垂直剛度的最大位移量分別為0.268、0.067、0.234 mm，將其代入式(1)，解得對應的剛度如表3所示。可以看出：在3種工況下，車門鉸鏈的靜剛度均滿足設計要求，說明文中設計的結構合理。

表3 車門鉸鏈靜剛度有限元分析

4 結論

文中開發了一種改進型的車門鉸鏈，利用CATIA建立三維實體模型，在HyperWorks中建立有限元模型，完成靜剛度有限元分析，得到車門鉸鏈在縱向、橫向以及垂直載荷作用下的位移分布云圖，通過計算得到車門鉸鏈的剛度值，表明設計的結構能夠滿足設計要求。