汽車車門內鎖止有限元分析及結構優(yōu)化

何雪明,童潔,戴進,葉水平,謝長江

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122；2.無錫忻潤汽車安全系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214154)

汽車車門內鎖止有限元分析及結構優(yōu)化

何雪明1,童潔1,戴進1,葉水平1,謝長江2

(1.江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122；2.無錫忻潤汽車安全系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214154)

利用Unigraphics NX軟件平臺，對內鎖止進行有限元仿真，分析其工作時受到的應力和位移。依據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)最大應力出現(xiàn)在凸耳根部，針對結構特點提出增大凸耳根部寬度并增添加強筋以求減小最大應力。實施結構優(yōu)化后再次進行有限元仿真，對比前后兩次有限元分析結果可知：該結構優(yōu)化方案可有效減小內鎖止工作時最大應力和位移，提高其工作可靠性和延長使用壽命，實現(xiàn)增強汽車安全性能的目的。

內鎖止；有限元分析；應力；結構優(yōu)化

0　引言

中國是汽車生產大國，汽車的市場需求量逐年上漲，隨著汽車生產制造技術的不斷發(fā)展，市場在要求汽車各零部件加工制造工藝技術提高的同時，用戶對其功能性、安全性能、美觀程度及使用舒適性的要求也越來越高。其中，汽車的安全性能一直是大家關注的重點，會受到汽車配件、控制系統(tǒng)等多方面的影響。例如車輪、安全氣囊、安全帶、防抱制動系統(tǒng)(ABS)等大零部件或系統(tǒng)[1]，即使是螺釘這樣的小零件，也有可能引發(fā)大的安全事故。作為汽車必備的配件之一，汽車車鎖是汽車門蓋系統(tǒng)中重要功能件，也是重要的安全防盜部件。一輛汽車上主要有車門鎖、點火鎖、后備廂鎖三大類車鎖。

對于各類車鎖，國家標準GB11568《汽車罩(蓋)鎖系統(tǒng)》和GB15086《汽車門鎖以及車門保持件的性能要求和實驗方法》對汽車門鎖的性能要求有詳細的說明[2]。標準要求汽車上的鎖止裝置能承受一定的慣性載荷，能可靠地將門蓋系統(tǒng)保持在鎖止位置，在任何工況下尤其是車輛行駛過程中不能自動打開。

某公司自行開發(fā)設計了某一系列車鎖，其中包括車門鎖和后備廂鎖。文中將基于Unigraphics NX軟件平臺[3]，對其中一款車門鎖的內鎖止進行有限元仿真，分析其工作時受到的應力大小及位移。在滿足使用要求的前提下，根據(jù)有限元應力分析結果對受最大應力處的結構做出相應修改，再次進行有限元分析并與前次分析數(shù)據(jù)對比，以驗證其結構改進的合理性。

1　內鎖止結構及工作過程

圖1所示為該公司的某款內鎖止三維模型，安裝在駕駛室車門內側，通過拉絲與按鈕相連接，按鈕只能由駕駛員控制。其主要功能是當汽車門關上以后，方便駕駛員在車內對車門進行上鎖，防止在車輛行進過程中車門打開造成危險。當汽車停下后，打開車門之前通過按動內鎖止按鈕對車門進行解鎖，然后才能打開車門。當按下按鈕時，內鎖止在拉絲的作用力下繞軸轉動，以達到鎖死或解鎖的目的。內鎖止按鈕的鎖止功能保證了車門在行車時不能打開，尤其可以防止兒童誤開車門，保證車內人員安全，因此必須保證其功能性、可靠性及使用壽命。

2　有限元分析

有限元分析可以對機械零件真實的載荷工況進行仿真模擬[4-5]，是機械零件設計中廣泛采用的分析手段。該款內鎖止在工作時是否會發(fā)生破壞取決于其最脆弱部位的強度。因此，完成內鎖止結構設計之后，需要進行三維模型的有限元仿真，分析在按鈕被按壓時內鎖止所受到的最大應力和發(fā)生的最大位移。

2.1模型網格劃分

對三維模型進行正確的網格劃分是有效進行有限元仿真分析的基礎，合理選擇網格類型及網格大小是獲得精確有限元分析結果的前提。在劃分網格之前，需要對模型進行幾何清理。這是由于設計時的曲面結構建模可能會存在縫隙、重疊、穿孔等缺陷，引起網格單元扭曲，導致網格質量不高，最終影響有限元分析結果的精確性。文中采用10節(jié)點的3D四面體單元劃分網格，設置網格大小為2.83 mm。檢查結果顯示網格分布均勻且質量良好，共產生7 088個四面體單元，節(jié)點數(shù)為13 529個，如圖2所示。

2.2參數(shù)設置

實際情況中通常采用高分子材料制造內鎖止，因此指派有限元分析模型材料為ABS。

根據(jù)工作過程，內鎖止在拉絲的拉力作用下會繞兩側的安裝軸轉動，因此采取對兩側的軸孔設置銷釘約束的方法來模擬該約束。依據(jù)內鎖止工作時的受力情況，載荷應加載在拉絲的安裝孔中，設置大小為10 N，經過換算后拉絲安裝孔的作用面上受到了1.67 N/mm2的拉力，選用NX NASTRAN求解器進行計算求解。

2.3有限元分析結果

圖3為內鎖止工作時的應力云圖，圖4為位移云圖。從圖3可看出：大應力主要集中在其他零件對內鎖止作用力的作用點處，而整體模型的最大應力出現(xiàn)在內鎖止凸耳根部，即第1 735個單元體上、第12 548個節(jié)點處，大小為3.513 MPa。由圖4可知：最大位移值為0.060 9 mm，出現(xiàn)在凸耳結構的頂部，分析結果與實際工況相符合。

為了確定最大應力出現(xiàn)的準確位置，對模型有選擇性地取點進行研究。如圖5所示，在內鎖止凸耳上取一點，研究從選取點開始沿著箭頭方向連續(xù)節(jié)點的應力并繪制成折線圖，如圖6所示，橫坐標表示離選取點的距離。測量結果顯示：各節(jié)點應力呈先增大再減小變化的變化趨勢，其中最大應力出現(xiàn)在距離選取點12.742 mm的位置，也是整個模型的最大應力位置，這與應力云圖的分析結果相符。

3　結構改進及有限元分析

根據(jù)上述應力分析結果可知：內鎖止工作時最大應力出現(xiàn)在與安裝拉絲的凸耳處，存在破壞的隱患。實際工況中，按鈕受到的作用力有大有小，拉絲傳遞的拉力也隨之變化，且內鎖止需要反復工作多次，凸耳結構的根部容易發(fā)生斷裂。根據(jù)使用要求，必須降低峰值點的應力值，同時保證內鎖止的結構強度。

經過研究討論，決定對凸耳結構進行優(yōu)化。在凸耳最大應力出現(xiàn)位置增大底部寬度，另一側改為倒圓結構，半徑為4.94 mm，這樣可以減小受到的應力峰值同時增大結構強度，延長使用壽命。同時，在內側不妨礙拉絲孔和軸孔的合適位置增加了厚度為1.48 mm的加強筋[6-7]，圖7為結構優(yōu)化后的內鎖止模型，其中深色部分即為修改結構。對改進后的內鎖止需要再次進行有限元分析。為了使對比結果更準確，同樣采用10節(jié)點的3D四面體單元劃分網格，且網格大小仍設置成2.83 mm。由于內鎖止結構上發(fā)生了變化，劃分網格后四面體單元增至9 003個，節(jié)點數(shù)為16 800個。

圖8和圖9分別為改進結構后的內鎖止在工作時的應力和位移分析結果。從圖8可知：最大應力出現(xiàn)的位置發(fā)生了變化，從凸耳根部變成了拉絲安裝孔處，大小為2.512 MPa，比結構優(yōu)化前減小了18.5%。圖9表明了最大位移值為0.039 7 mm，比原有模型減小了34.8%。

根據(jù)如圖5所示的測量路徑，再次取點測量并繪出節(jié)點應力與距離關系折線圖，如圖10所示?？煽闯觯汗?jié)點應力的變化趨勢與結構優(yōu)化前相同，局部最大節(jié)點應力為2.152 MPa，出現(xiàn)在距離選取點18.368 mm的位置，但不是整個模型的最大應力位置，與應力云圖的分析結果一致。得出結論：這樣的結構改進有效降低內鎖止工作的最大應力，減小工作時的位移，能夠很好地改善內鎖止的使用性能，延長其使用壽命。

前后兩次有限元分析后的最大應力和最大位移對比見表1?？煽闯觯簝孺i止結構改進后，最大應力和最大位移均明顯降低，大大提高了內鎖止工作可靠性。這表明該結構優(yōu)化方案有效、可行。

表1　有限元分析結果對比

4　結論

對某款內鎖止進行了簡單的結構分析，基于有限元分析結果，提出改進凸耳結構及增加加強筋的結構優(yōu)化方案并再次進行有限元分析。對比了前后兩次內鎖止的應力與位移，發(fā)現(xiàn)該結構優(yōu)化方案可大幅度降低內鎖止工作時受到的最大應力及最大位移量，從而可以實現(xiàn)延長內鎖止使用壽命，減小其失效可能性，增強汽車安全性能，達到了預期目的。

【1】劉福全.汽車安全控制新技術[J].交通科技與經濟，2008(4)：62-63.

【2】汪祥，賀占魁，李濤.汽車鎖鎖緊機構設計[J].汽車工程師，2014(6)：39-43.

【3】童欽，孟廣耀，黃居鑫，等.UG和ANSYS結構優(yōu)化設計比較[J].裝備制造技術，2014(6)：115-117，136.

【4】陳濤.兒童鎖機構的改進及有限元分析[J].汽車實用技術，2011(8)：1-4.

【5】靖娟.汽車車輪的有限元分析[J].機械研究與應用，2014，27(1)：102-104.

【6】麥云飛，劉威.基于ANSYS的汽車儀表板側蓋板的結構優(yōu)化設計[J].機械工程及自動化，2015(1)：86-88.

【7】何雪明，陳偉民，劉洪園.基于UG的起重機結構有限元分析和優(yōu)化[J].徐州工程學院學報:自然科學版，2013,28(1)：65-68.

FEA and Optimization for Vehicle Inner-door Latch

HE Xueming1, TONG Jie1, DAI Jin1, YE Shuiping1, XIE Changjiang2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Wuxi Xinrun Vehicle Security System Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214154,China)

With the help of Unigraphics NX software platform, the finite element simulation and analysis were carried on the inner-door latch model to analyze its stress and displacement when it worked. The maximum stress was found occurring at the convex lug root from the results of the analysis.To reduce the maximum stress, a proposal was submitted in which the width of the convex lug root was increased and stiffeners was added. After optimization, the FEA was conducted again and compared with the former results.It is shown that the structure optimization scheme can effectively reduce the maximum working stress and displacement of the inner-door latch, as well as the work reliability and life are improved with vehicle security enhanced.

Inner-door latch；Finite element analysis；Stress；Structure optimization

2015-06-01

國家自然科學基金資助項目(51275210)；江蘇省產學研資助項目(BY2013015-30)；江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2013-ZBZZ-016)

何雪明(1966—)，男，博士，教授,碩士生導師，主要研究方向為自由曲線、曲面CAD/CAM和逆向工程。E-mail：hxuem2003@163.com。

童潔，E-mail：tongjie_jn@126.com。