某轎車車門窗框剛度分析和結構優化

路忠鋒

摘 要：為解決前門窗框剛度不足的問題，借助CAE前后處理軟件HyperMesh & HyperView及ABAQUS軟件，對某車型窗框剛度進行分析，通過查看應變云圖，找到剛度薄弱處并進行優化，得到相關數據。通過優化窗框結構方案，滿足窗框剛度設計要求。

關鍵詞：轎車車門;窗框剛度;剛度分析;結構優化

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-116-03

Stiffness Analysis And Structure Optimization Of a Car Door Window Frame

Lu Zhongfeng

（ Baoneng （Xi'an） Automotive Research Institute Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 712000 ）

Abstract： In order to solve the problem of insufficient stiffness of the front door window frame， we can analyze its stiffness with the help of the CAE pre-processing software HyperMesh & hyperview and ABAQUS， find the weak points of stiffness and optimizes it by looking over the strain nephogram， and obtain the relevant data. The stiffness of a door window frame can be satisfied by optimzation structure design.

Keywords： Car door; Window frame stiffness; Stiffness analysis; Structural optimization

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-116-03

引言

隨著汽車工業的高度發展，汽車保有量越來越高，車門作為汽車的一個重要組成，其品質在一定程度上反映一家主機廠的造車水平。作為一個綜合性的轉動部件，車門和駕駛室一起形成乘員的生存空間，當車門閉合時，應具有良好的振動特性，足夠的強度和剛度，耐沖擊性能以及側碰時的抗碰撞特性。傳統的設計車門的方法，通常是在樣車階段對車門剛度進行反復多次的試驗，這樣會大大增加開發成本和周期。隨著有限元的發展，在汽車開發初期對車門進行窗框剛度分析[1]，并對不合格的設計進行優化，在項目中期車門樣件出來后，進行試驗驗證，使車門達到目標要求，從而降低開發成本，縮短車門開發周期。

1 車門窗框剛度對車輛性能的影響

1.1 車門窗框剛度

車門剛度[2]是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力，用對車門窗框施加載荷與車門承受載荷后產生的變形之間的關系來表示剛度。

1.2 側向窗框剛度

汽車車門系統作為用戶經常使用、接觸的部件，需具有足夠的剛度以滿足用戶對使用性能、外觀及噪聲的要求，且車門的品質在一定程度上反映了造車的水平。車門角剛度作為衡量車門品質的一項重要指標，若剛度不足，會導致變形，影響外觀間隙和平度;而變形過大，則會影響密封條的密封性，造成噪聲和高速振動問題[3]。

2 優化前CAE窗框剛度分析

2.1 有限元網格劃分

利用HyperMesh 建立與實車結構一致的前門有限元模型，見圖1。該有限元分析包括車門鈑金件和門鉸鏈。

2.2 邊界條件及工況載荷

以某轎車前門為例，在車門后角點進行加載，如圖2所示。分析邊界條件：在整車坐標系下，門鉸鏈處約束123456，門鎖處約束123456[4]。

1）前角點側向剛度：前角點施加Y向載荷500N后移除外載。

2）后角點側向剛度：后角點施加Y向載荷500N后移除外載。

3）前門后角點由于圓弧過渡不容易確定時，圖示方法如圖3所示確定：1）直線A為門窗玻璃的前上角點和后下角點的連線。2）后角點定為窗框上距離直線最遠點。3）如果有兩點距離直線A同樣預遠，如B和C，則取B位置的距離鉸鏈軸線最遠點作為后角點，因為此處剛度較弱。

2.3 原方案側向剛度CAE 分析結果

該分析項為非線性分析，采用ABAQUS進行計算分析[1]，利用HyperView后處理查看側向剛度的位移云圖，圖4和圖5所示，記錄加載點在各載荷步下的Y向位移值。

分析結果如表1所示，全角載荷為500N時的Y向變形加載點位移值10.32mm，卸載后加載點位移值2.39mm。

3 優化方案及相應CAE分析

3.1 車門窗框剛度優化

從分析的結果可以看出：載荷為500N時的剛度值不滿足要求，需要進行優化分析。如圖6所示，加載500N的應變圖顯示，最大應變集中在前門后部窗框總成與前門內板連接處，說明該處結構相對薄弱，對門的窗框剛度的影響較大。

針對以上描述，如要提高窗框剛度，需提到前門后部窗框總成與前門內板連接處的剛度。優化前，前門后部窗框結構9個三層板焊點，3個兩層板焊點;優化后，前門后部窗框結構進行優化，并增加到11個三層板焊點，3個兩層板焊點。結構優化后增加了三層板焊點@1，@2;兩層板焊點@3滿足車門窗框剛度。