基于CAE分析和剛性試驗的車門補強片運用

付磊，樂義，張月，張衛(wèi)，莫林

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

基于CAE分析和剛性試驗的車門補強片運用

付磊，樂義，張月，張衛(wèi)，莫林

（東風汽車公司技術中心，武漢 430058）

本文主要介紹了車門補強片在車門外板指壓剛性改善上的運用，首先，利用指壓試驗和CAE分析方法得到車門外板指壓剛性弱的區(qū)域；其次，針對這些剛性弱的區(qū)域，分別利用6種厚度和形狀的補強片進行CAE分析，得到一種改善效果最好的車門補強片形式；最后，通過車門指壓試驗和主觀評價，評定車門剛性得到較大改善，車門狀態(tài)符合要求。

補強片；車門外板；指壓試驗；CAE

付磊

湖南大學車輛工程碩士研究生畢業(yè)，現任東風汽車公司技術中心責任工程師，研究方向：車門系統(tǒng)設計，已發(fā)表文章：《基于DIC技術和硬度試驗的焊縫材料參數識別新方

1　引言

汽車輕量化是節(jié)省能源和降低污染的有效途徑，研究報告表明：轎車每減重10%，則油耗可以降低減少6%-8%［1］。目前，國內外的汽車降重主要有兩種途徑：一種是采用強度高、質量輕的新型材料，如高強度鋼板、鋁鎂合金、工程塑料（樹脂基復合材料）等；另外一種是優(yōu)化汽車結構設計，如結構件中空化、外板薄壁化［2］。但現在這方面潛力已經不大。因為汽車減重會減小車身的局部剛度，帶來以下三個問題：

a、使得汽車在行駛過程中，頂蓋、車門和側圍等外覆蓋件容易產生共振，帶來車身異響的問題，直接影響用戶的主觀感受；

b、客戶對車門和側圍進行按壓時，如果非常容易按入，易給客戶產生汽車品質較差的印象，影響汽車品牌形象；

c、在側面碰撞中，車門位置離乘員最近，車門的變形很容易使乘員受傷［3］，并且還可能造成車門門鎖開啟［4］。

為了解決這些問題，主機廠一般采用以下兩種方式：

a、增加車門外板指壓梁，在車門空腔內布置指壓梁，與車門外板保持3-4mm間隙值，方便涂減震膠，這種增強方式對于指壓剛性較弱的局部區(qū)域增強效果較好，但由于鈑金件的尺寸大小及受空間布置限制，指壓剛性增強區(qū)域面積較小、有的區(qū)域無法實現加強；

b、增加車門補強片，在汽車外覆蓋件上粘貼補強片，這種方式可以針對外覆蓋件指壓剛性較弱的區(qū)域增加補強片，成本相對較低，后期也可以根據實車試驗結果進行增減補強片，見圖1：

本文主要通過一個車門外板剛性改善的實例，介紹如何利用CAE分析方法和指壓剛性試驗，更好的運用車門補強片。

2　補強片介紹

2.1補強原理

補強片固化到汽車外板后，形成的復合材料同時具有金屬材料的剛性和非金屬材料的韌性，改變了汽車外板的單純的金屬特性，汽車外板的剛性明顯提高，耐疲勞性明顯提高，主要有以下兩方面的原因：

a、粘接層中的環(huán)氧樹脂為熱固性樹脂，具有比較獨特的環(huán)氧基，以及羥基、醚鍵等極性基因和活性基因，具有很強的內聚力，分子結構致密，力學性能優(yōu)良。固化后的剛性較強，同時，由于補強片和金屬的膨脹系數不一樣，因此固化過程中，會產生少量收縮增強金屬外板的張力，提高金屬板自身的剛性。

b、作為覆蓋層的玻璃纖維材料具有很強的韌性和抗撕裂性，當在外力的作用下，汽車外板產生較大的變形時，玻璃纖維能夠阻止粘接層的變形，減低沖擊的能量，減弱汽車外板所受到的沖擊。

2.2分類

按照被粘物的表面狀態(tài)、應用工序，補強片分為兩個類別［5］，由于在涂裝車間粘貼補強片，直接影響汽車涂裝車間的清潔度，另外，內外板夾層粘貼補強片操作非常不方便，因此，大部分的主機廠都在焊裝車間粘貼補強片，見表1：

表1　補強片類別

3　車門外板剛性試驗方法

為了得到具體的車門外板指壓剛性值，一般采用CAE分析方法和指壓剛性試驗。

3.1CAE分析方法

根據車門3D結構數據，在相對薄弱區(qū)域（即表面相對平坦，附近較大區(qū)域無支撐板、筋的區(qū)域）選擇、布置抗凹考察點；依據相關試驗標準的規(guī)定，建立圓面直徑為20mm 的剛性壓頭模型，載荷為100N，車門外板材料為DC56D+ZF，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度164MPa；補強片由補強片基體和補強片玻璃纖維組成：補強片基體的彈性模量為2500MPa，屈服強度為18MPa，補強片玻璃纖維的彈性模量為9800MPa，屈服強度為22MPa，分析前處理軟件為Hypermesh，求解器為ABAQUS/ Standard，求解出各考察點的位移量，與目標值4mm進行對比；對不滿足抗凹分析的考察點區(qū)域布置補強片，以提高其抗凹性能，見圖2：

3.2指壓剛性試驗方法

由于CAE有限元分析與實車會有誤差，所以對新開發(fā)項目的試制車或試制零件還會進行車門外板指壓試驗，同樣根據相關試驗標準的規(guī)定，與CAE分析方法一致。根據試驗結果，對不滿足抗凹分析的考察點區(qū)域布置補強片，見圖3-4：

3.3車門外板剛性改善方法流程

4　實例

結合一個車門外板指壓剛性增強的實例，介紹補強片在車門剛性改善上的運用。

4.1問題描述

某車型在開發(fā)過程中，進行外板指壓剛性試驗時，發(fā)現外板部分區(qū)域的指壓剛性較差，關門時，部分區(qū)域容易振動，形成噪音，影響關門音品質。同時，通過CAE對車門外板16個點進行指壓剛性分析，車門外板上有5個點不滿足標準要求，剛性較差。因此，需要對這塊區(qū)域的剛性進行增強，見圖5。

4.2問題解析

通過對這個問題進一步進行解析和競品對比分析，發(fā)現造成這款車型的車門外板部分區(qū)域指壓剛性較差主要有以下原因：

a、 與競品車對比，車門外板尺寸偏大；

b、 車門外表面較平坦；

c、 無指壓剛性梁

為了達到試驗要求，必須增加外板指壓剛性。

4.3解決方案

根據試驗結果，針對這些指壓剛性較弱的區(qū)域，如圖5所示，可以使用補強片對這些區(qū)域進行增強，減小這些區(qū)域的指壓變形量。

由于補強片有多種厚度，可以切割成多種形狀，對這些不同形狀，不同厚度的補強片進行分析。補強片有三種厚度和兩種材料形狀，一共有6種補強片形式，針對這些補強片增強方案，進行車門外板剛性增強CAE分析。

表2　補強片形式

4.4CAE和試驗結果

通過對改進后的車門進行CAE分析，補強片種類3符合車門外板剛性要求，指壓剛性全部符合要求。具體CAE分析結果見圖6。同時，通過對實車進行指壓試驗，結果符合要求。

5　結束語

通過車門外板剛性改善的實例，介紹如何利用CAE分析方法和指壓剛性試驗，更好的運用車門補強片。得到如下結論：

1、外板CAS設計中，需要充分考慮車門外板剛性；

2、車門外板的剛性主要決定于車門外板的材料屬性和厚度，補強片只能改善車門外板的局部指壓剛性；

3、CAE分析不滿足的外板區(qū)域，工程設計階段就要考慮增加補強片，以免出現量產階段的質量問題；

4、工程設計階段，滿足CAE剛性分析的車門外板，在試制階段，還需要通過實車指壓試驗和主觀評價進行驗證，避免CAE分析的精度問題。

［1］張彥，來新民， 朱平，等.基于抗凹性的轎車零件的輕量化設計及耐撞性分析機械設計與研究［J］.機械設計與研究，2004，20（5）：75-79.

［2］陳世平. 汽車輕量化及其材料［J］.汽車工藝與材料，1995（4）：21-28.

［3］朱江森，郭艷茹，陳劍. 某車門碰撞性能分析及結構優(yōu)化研究［J］.汽車科技，2011（5）：16-19.

［4］曹兆友，沈海東. 側面碰撞中車門自動解鎖現象的改進［J］.汽車工程師，2014（1）：60-62.

［5］QC/T 851-2011，汽車用補強膠片［S］.

專家推薦

王彥：

文章介紹了車門外板剛性差的壞處，補強片的原理、分類，闡述了車門外板剛性試驗方法和CAE分析方法，解決了相應的實例問題。關于外板剛性試驗和仿真方法，各汽車廠有各自方法。本文采用的方法，論述全面，能讓讀者讀有所得，是一種好的方法。

The Use of Reinforcing Sheet Base on Pressure Testand CAEAnalysis

FU Lei， LE Yi， ZHANG Yue， ZHANG wei， MO Lin
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058）

This paper mainly introduces the application of the reinforcing sheet， about acupressure rigidity improvement on the outer door. Firstly， The pressure test and CAE analysis method to get the weak rigidly area of the outer door. Secondly， the stiffness weak areas， respectively， using 6 kinds of thickness and shape of the reinforcement plate for CAE analysis. Finally get a best effect of reinforcing sheet. Finally， through the pressure test and subjective evaluation， the rigidity of outer door is greatly improved， the state of the door is OK.

reinforcing sheet， outer door， pressure test， CAE

U463.83+4

A

1005-2550（2015）04-0034-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.008

2015-04-16