車門防撞梁結(jié)構(gòu)形式對車門性能影響的分析

印明勛 劉瑩 王峻峰

（華晨汽車工程研究院）

車門是車身結(jié)構(gòu)中非常重要的組成部分，它可以隔絕汽車外部的噪聲干擾，同時還能夠降低來自車身側(cè)面的撞擊，保證車內(nèi)乘員的安全[1]。車門由很多部件組成，其中，車門內(nèi)部防撞梁是決定車門力學(xué)性能方面的重要部件。近年來，隨著車身輕量化趨勢的逐步發(fā)展，很多車型的車門內(nèi)外板厚度被一定程度地降低，這勢必會影響車門的力學(xué)性能[2]，因此，具有合理結(jié)構(gòu)形式的車門防撞梁在保證車門模態(tài)及剛度等方面的作用就變得更為突出。文章以某乘用車的前門為例，利用Nastran 和ABAQUS 軟件分別對該車所采用的帽狀和管狀2種不同結(jié)構(gòu)形式防撞梁的前門進行靜力學(xué)仿真分析，利用HyperView 軟件讀取分析結(jié)果，觀察2種車門防撞梁對車門力學(xué)性能的影響差異，為車門的前期開發(fā)提供參考。

1 車門有限元模型

車身前門的組成部件主要為鈑金結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)板、外板、窗框、防撞梁以及加強板等眾多構(gòu)件，但不包括鉸鏈和鎖鉤。利用ANSA 軟件對前門各組成部件進行網(wǎng)格劃分，對鈑金構(gòu)件利用殼單元進行模擬，單元目標尺寸為8 mm；對膠接點以及焊接點利用實體單元進行模擬，單元目標尺寸為6 mm。在裝有帽狀防撞梁的前門模型中，殼單元共84 473 個，其中四邊形單元81 323 個，三角形單元3 150 個；在裝有管狀防撞梁的前門模型中，殼單元共82 794 個，其中四邊形單元79 658 個，三角形單元3 136 個。2種車門模型均滿足三角單元數(shù)量占總單元數(shù)量的比例小于5%的建模要求。

帽狀防撞梁結(jié)構(gòu)是利用一整塊等厚度鋼板沖壓而成，質(zhì)量為1.65 kg，長度為1 042 mm，寬度為118 mm，厚度為1.2 mm，兩端通過點焊與車門內(nèi)板焊接，中間通過膨脹膠與車門外板膠接；管狀防撞梁結(jié)構(gòu)包括1 根鋼管和2 個鋼制接頭，質(zhì)量為1.61 kg，鋼管長度為870 mm，管壁厚度為1.8 mm，管外部直徑為31 mm，2個接頭厚度均為1.7 mm，鋼管兩端通過弧焊分別與兩接頭焊接，中間通過膨脹膠與車門外板膠接，兩接頭又通過點焊與車門內(nèi)板焊接。2種防撞梁結(jié)構(gòu)與車門內(nèi)板連接位置、連接形式以及焊點數(shù)量均相同。表1 示出車門所包含各材料的性能參數(shù)。圖1 示出2種防撞梁結(jié)構(gòu)的車門。

表1 車門材料性能參數(shù)表

圖1 2種防撞梁結(jié)構(gòu)的車門示意圖

2 車門仿真分析

2.1 自由模態(tài)分析

低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)振動中的能量占比較高，對整個結(jié)構(gòu)的振動影響較大。若低階模態(tài)頻率過低，結(jié)構(gòu)在使用過程中容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，最終發(fā)生嚴重變形甚至破壞[3]。對分別裝有帽狀防撞梁和管狀防撞梁的2種車門進行自由模態(tài)分析，模型不施加任何邊界約束及載荷，求解前10 階非零自由模態(tài)頻率及陣型。

利用Nastran. SOL103 軟件進行車門自由模態(tài)的求解。表2 示出2種防撞梁車門的前10 階模態(tài)頻率值。其中，2 階模態(tài)為車門一階彎曲模態(tài)，3 階模態(tài)為車門一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，振型分別如圖2 和圖3 所示。根據(jù)計算結(jié)果，管狀防撞梁車門的一階彎曲模態(tài)頻率（40.84 Hz）和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率（44.97 Hz）比帽狀防撞梁車門的一階彎曲模態(tài)頻率（40.32 Hz）和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率（44.53 Hz）分別提高了1.3%和1.0%。因此，在質(zhì)量相同的條件下，管狀防撞梁車門比帽狀防撞梁車門的低階頻率更高，能更好地提升車門的抗抖振性能。

表2 2種車門前10階模態(tài)頻率值表Hz

圖2 車門一階彎曲振型圖

圖3 車門一階扭轉(zhuǎn)振型圖

2.2 下部剛度分析

剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受外界載荷作用時抵抗彈性變形的能力。在宏觀彈性范圍內(nèi)，剛度是結(jié)構(gòu)所受載荷與產(chǎn)生變形之間的比例系數(shù)[4]，如式（1）所示。

式中：c——結(jié)構(gòu)剛度，N/mm；

F——結(jié)構(gòu)所受載荷，N；

d——加載處沿載荷方向產(chǎn)生的變形，mm。

由于防撞梁在車門內(nèi)部傾斜放置，對車門靠近B柱下方部位的剛度影響較大，因此，對裝有2種結(jié)構(gòu)形式防撞梁的車門進行下部剛度分析。在車門鉸鏈安裝孔以及鎖鉤安裝孔處利用RBE2 單元建立剛性Bolt，約束鉸鏈安裝孔Bolt 中心處的全部自由度，約束鎖鉤安裝孔Bolt 中心處的全局Y 向（即沿車門開啟方向）自由度。在車門內(nèi)板突起根部的橡膠塊安裝點處利用RBE2單元建立剛性Bolt，并在該Bolt 中心點處垂直于車門內(nèi)板方向施加大小為400 N 的集中載荷。車門約束及加載位置，如圖4 所示。

圖4 車門約束及加載位置示意圖

利用Nastran.SOL101 軟件進行車門下部剛度的求解。表3示出2種防撞梁結(jié)構(gòu)車門的最大變形、加載點處變形及加載點處剛度值對比。圖5 示出2種防撞梁結(jié)構(gòu)車門的變形分布云圖。通過對比，管狀防撞梁車門比帽狀防撞梁車門的最大變形減小5.6%，加載點處的變形減小8.2%，而加載點處的剛度值增大9.7%。因此，在質(zhì)量相同的條件下，管狀防撞梁在提高車門下部剛度以及減小車門變形方面要優(yōu)于帽狀防撞梁。

表3 2種車門的最大變形、加載點處變形及加載點處剛度對比表

2.3 車門外表面抗凹性能分析

對車門進行外表面抗凹性能分析時，是通過壓塊對車門施加載荷。壓塊由兩部分組成：上部為長圓形30 mm×20 mm 的鐵質(zhì)基體，厚度為10 mm；下部即與車門相接觸部分為30 mm×20 mm 的橡膠塊，厚度為5 mm。在壓塊上部建立Coupling 結(jié)構(gòu)，并在Coupling 中心處約束除沿車門外板法線方向平移自由度外的其他自由度，以防止壓塊翻轉(zhuǎn)和偏移；壓塊下部與車門外板之間定義Contact 接觸對，以防止在加載過程中壓塊與車門外板之間發(fā)生貫穿。在Coupling 中心處施加800 N的集中載荷，并將壓塊放置在車門外板外側(cè)、防撞梁中央的位置。計算過程中，設(shè)置加載步Step1 與卸載步Step2，每個載荷步的時長為1 s。通過加載與卸載，獲得最大變形及塑性變形。此外，車門約束方式與下部彎曲剛度分析時的約束方式相同。圖6 示出壓塊形狀、Coupling位置以及接觸設(shè)置。

圖6 壓塊形狀、Coupling位置以及接觸設(shè)置示意圖

利用ABAQUS.Static 軟件對車門的外表面抗凹性能進行求解。圖7 示出2種防撞梁結(jié)構(gòu)車門的變形分布云圖。從圖7 可以看出，在壓塊作用下，管狀防撞梁車門外板最大變形為6.09 mm，帽狀防撞梁車門外板最大變形為8.22 mm，前者比后者減小了26%，且前者發(fā)生大變形的區(qū)域明顯小于后者。圖8 示出2種防撞梁結(jié)構(gòu)車門的卸載曲線圖。從圖8 可以看出，卸載之后2種車門均發(fā)生不同程度的塑性變形。管狀防撞梁車門塑性變形為0.02 mm，帽狀防撞梁車門塑性變形為0.05 mm，前者比后者減小了60%。因此，與帽狀防撞梁相比，管狀防撞梁具有更好地承受大載荷、抵抗大變形和減小塑性變形發(fā)生的力學(xué)性能。

圖7 2種車門外表面變形云圖

圖8 2種車門卸載曲線圖

3 結(jié)論

通過對總質(zhì)量相同且分別裝有帽狀和管狀2種不同結(jié)構(gòu)形式防撞梁的某型車前門進行仿真分析，得出：

1）管狀防撞梁車門比帽狀防撞梁車門的一階彎曲模態(tài)頻率和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率分別提高了1.3%和1.0%。因此，當車門受到正常行駛狀態(tài)下的外界激振作用時，管狀防撞梁能更好地提升車門的抗抖振性能。

2）管狀防撞梁車門比帽狀防撞梁車門下部加載點處的剛度值增大9.7%。因此，當車門受到撞擊時，管狀防撞梁能更好地減少車門下部發(fā)生變形。

3）管狀防撞梁車門比帽狀防撞梁車門的外板最大變形和最大塑性變形分別降低了26%和60%。因此，管狀防撞梁使車門外板具有更好的承受大載荷和抵抗塑性變形的力學(xué)性能。