乘用車車門結構性能有限元分析*

顧海明,賀永龍,婁 磊

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300000)

0 引 言

車門是乘用車結構中較為復雜的組成部分，一方面是其結構繁多，包含升窗器、防撞桿、門把手等多個構件，另一方面車門承擔著諸多功能，包括使用便利性，如開啟方便、乘客上下車，以及對整個車身的側面支撐，其中首先需要滿足的就是剛度、強度的要求。

筆者以某車型車門結構性能為研究對象，通過Hyperworks仿真的方法，對下垂、窗框、帶線、扭轉四種工況車門的剛強度分別進行了分析及結果符合性判定。

1 車門系統的基本結構

門體、車門附件及內飾件是車門系統的三大組成部件。這其中門體是整個系統的骨架，其他附屬機構及內飾都要依附于其安裝。這些附屬機構包括了車門內板、外板、車門加強版、車門防撞桿等諸多結構。車門附件主要作用是實現車門的使用功能，包含車門鉸鏈、門鎖、玻璃升降器等。車門內飾件主要應用于外觀，如蒙皮、裝飾蓋板等，同時也可以起到隔音降噪的目的。另外軟質材料的包括也有利于碰撞防護[1]。

2 車門結構剛度與強度定義及設計準則

2.1 剛度定義及設計準則

車門剛度主要用于表征車門在受到自身重力或外力時，保持其結構的能力，一般使用載荷與形變的比值來計算。結合實際適用場景，車門剛強度分析主要考慮了四種工況，分別為下垂、窗框、帶線及扭轉工況[2]。

在設計車門剛度時，需要保證車門變形量在標準載荷作用下不超過限值。如果剛度不足，那么車門及其部件將發生彎折、扭曲等塑性變形，繼而引起部件之間干涉，會極大地縮短使用壽命。

2.2 強度定義及設計準則

車門強度指的是車門在受到外力作用時，保持結構穩定性的能力，一般用某一固定外力作用下的應力來進行計算。

車門強度在設計時應遵循最大應力不超過材料許用應力的原則。如果車門強度不足，其零部件會發生塑性變形乃至屈服現象，引起局部開裂，致結構工作異常。

3 車門結構性能分析

具體分析工況共四種，分別是下垂、窗框、帶線、扭轉。

3.1 下垂工況分析

下垂工況主要模擬車門在打開狀態下，受到Z向力的響應情況。這也對應了實際適用工況中車門頻繁開啟的問題。開啟后，車門相當于懸臂梁，一側處于懸置，一方面受自重作用，另一方面，乘員進出期間不可避免地與車門發生作用力。如果垂向剛強度不足，車門容易出現變形或者密封不嚴的問題。

通常車輛車門會存在兩種開啟角度，所以建立了兩種角度(分別為15°、66°)下的有限元模型，如圖1、2所示。

圖1 車門一級開度分析模型

圖2 車門二級開度分析模型

分析模型中約束按照實車環境設置，在前后支點處約束X、Y、Z三個平動自由度，同時約束半車截面處的所有六向自由度。針對車門自重和人員上下車作用力兩種工況，分別施加兩種載荷為：①自重；②自重+735 N的Z向力，作用于門鎖。

在15°開啟角度下，車門最大位移1.22 mm；自身重力+735 NZ向力作用下，車門最大位移6.05 mm，集中在車門右上角。66°開啟角度自身重力作用下，車門最大位移1.75 mm，如圖3所示；自身重力+735 NZ向力作用下，車門最大位移8.16 mm，集中在車門右側。

圖3 一級、二級開度自身重力作用下位移云圖

強度方面，在15°開啟角度、自重下，最大應力39.8 MPa；自重+735 N外力作用下，最大應力239.3 MPa，在66°開啟角度、自重下，最大應力44.13 MPa；自重+735 N外力作用下，最大應力267.50 MPa。

圖4 一級、二級開度車門自重應力云圖

3.2 窗框工況分析

窗框位于車門中部，對車門起到重要的支撐作用。與其他部件相比，由于玻璃的存在，窗框并沒有太多的設計寬度，因此它的剛度相對較小。日常使用工況中窗框收到的多為橫向力，主要是開關車門時乘員施加。如果窗框剛度不足發生變形，則附加在窗框之上的密封條氣密性就會變差，甚至車門內部玻璃導軌也會發生變形，出現若干問題。

分析時，加載方向沿車輛Y向方向，車門整體處于關閉，約束門鎖處以模擬車門鎖閉。

于車輛前后懸安裝點處約束X、Y、Z三個平動自由度，車身截面處約束所有六向自由度。車門鎖與車身的鎖閉連接模擬采用RBE2形式。窗框工況分析時在中部及后部分別施加200 N和250 N、沿Y方向的作用力，用以分析中后部剛度。

分析發現，中部最大位移為3.45 mm。后部最大位移為3.98 mm，如圖5所示。

圖5 窗框中、后部載荷作用下位移云圖

中部工況、200 NY向力作用時，最大應力為70.0 MPa，最大應力點在前部內外板接頭位置。后部工況、250 NY向力作用時，最大應力為161.0 MPa，最大應力點在后部內外板接頭位置。如圖6所示。

3.3 帶線工況分析

車門帶線位于窗戶邊緣，受力較為頻繁。如果該位置剛度不足，則會導致內外板發生變形，影響車門玻璃升降。

于車輛前后支點處約束X、Y、Z三個平動自由度，約束車身界面處所有六個自由度。門鎖與車身使用RBE2進行連接以模擬門鎖鎖閉。內外板帶線剛度分析均采用相同的540 N載荷，作用在帶線中點。作用方向相反。

圖6 窗框中、后部載荷作用應力云圖

分析結果表明，內板帶線Y向最大位移為3.63 mm，外板帶線最大位移3.53 mm，如圖7所示。

圖7 內板、外板帶線位移云圖

內板帶線最大應力為129.5 MPa，外板帶線最大應力為207.9 MPa。作用部位有所差異，內板最大值出現在載荷點處，外板最大值出現在帶線翻邊處，如圖8所示。

圖8 內板、外板帶線應力云圖

3.4 扭轉工況分析

車門在常閉狀態時，一般受到三個點約束，包括前端鉸鏈與后端門鎖。這樣車門使用時就會受到扭轉力作用。如果扭轉剛度不足，則會出現扭轉變形，引起車門構件局部開裂，氣密性下降等問題。因此扭轉工況分析時，對車門上下部分別加載以考察上下扭轉性能。

模型的建立與前述兩種工況一致。

于前后支點處約束X、Y、Z三個平動自由度，于截面處約束所有六向自由度。門鎖與車身采用RBE2進行連接。上扭轉和下扭轉都采用900 N的均布載荷，作用在門鎖密封面。其中上扭轉載荷作用點在帶線以下5 mm，下扭轉載荷在內板圓角處。

分析結果發現，上扭轉工況最大位移為2.7 mm，下扭轉工況下最大位移為1.74 mm，如圖9所示。

圖9 上扭轉、下扭轉工況位移云圖

上扭轉工況中，車門鎖密封側出現應力的廣泛分布，最大應力77.0 MPa，位置在內板與窗框加強板連接位置。下扭轉工況，最大應力113.4 MPa，位于車門內板門鎖連接點處。內板前部與鉸鏈連接處有較小的應力分布。如圖10所示。

圖10 上扭轉、下扭轉工況應力分布

以上，該車型剛強度分析共進行了四種工況，對分析結果參照某自主品牌轎車車門分析評價標準[3]進行了評價，結果如表1所列。

表1 剛度、強度分析結果

4 結 語

通過Hyperworks仿真分析，對整車進行了簡化，建立了用于剛強度分析的半車模型。在下垂、窗框、帶線、扭轉四種工況下，進行了車門的剛度、強度分析。通過與某車型評價標準進行對照發現，該車門結構抗扭轉剛強度較好，下垂及窗框剛強度較為適中，帶線剛強度則盈余較少，但對比評價標準，該車門結構剛度、強度均在限值以內，滿足設計要求。