淺議汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的CAE應(yīng)用

鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心 王少偉 蘭天亮 李夢帆

淺議汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的CAE應(yīng)用

鄭州日產(chǎn)汽車有限公司技術(shù)中心 王少偉 蘭天亮 李夢帆

一、引言

汽車側(cè)門是乘員上下車的主要出入口，也是較多功能件集中的部件之一。其結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及很多性能要求，例如乘員出入的便利性、開閉車門的感知質(zhì)量、玻璃的升降性等。為滿足相關(guān)性能要求，在詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要以相關(guān)性能要求為基點進行設(shè)計。為避免結(jié)構(gòu)設(shè)計所造成的性能不足或過剩，在初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完成后，對其進行相關(guān)的CAE分析是很必要的。

本文以CAE在某車型前車門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體分析為例，簡述CAE在汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用。

二、CAE分析在汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

本文利用Hyperworks軟件對某車型前車門總成進行網(wǎng)格劃分，得36108個有限元模型單元，有限元模型質(zhì)量為16.78Kg，與實測質(zhì)量一致。其中，焊點用CWELD和CONN3D2模擬，膠體用3D實體單元模擬。

圖1 前車門有限元分析模型

該前車門的有限元分析模型如圖1所示。前車門有限元模型中相關(guān)材料的特性如表1所示。

表1 前車門有限元模型中相關(guān)材料的特性

1.前車門自由模態(tài)分析

（1）約束和加載。

未施加約束和載荷，為自由模態(tài)。

（2）分析結(jié)果。

通過計算可知改前車門的扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)頻率大于35Hz，滿足設(shè)計要求。

具體的模態(tài)分析數(shù)值如表2所示，相關(guān)的分析云圖如圖2所示。

表2 前車門前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖2 前車門自由模態(tài)分析云圖

由以上分析云圖可以發(fā)現(xiàn)，前車門在防撞梁附近剛性稍差（如一階振型云圖上紅色虛線圈注處所示），因此為改善其模態(tài)特性，在此處增加1片補強材。

2.前車門扭轉(zhuǎn)剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在前車門上下鉸鏈軸心處施加約束，限制123456自由度；

在門鎖處約束2356自由度；

加載：在鎖芯處施加270N?m的-X向扭矩。

約束和加載模型如圖3所示：

圖3 前車門扭轉(zhuǎn)剛度分析約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門的扭轉(zhuǎn)剛度為678 N·m/°，具體如表3所示：

表3 前車門扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車車門扭轉(zhuǎn)剛度（675N·m/°）稍微低于參考值（＞680N·m/°），但處于可接受范圍，判斷為可接受。

3.前車門門框剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在前車門上下鉸鏈軸心處施加約束，限制123456自由度；

在門鎖處約束2356自由度；

加載：在上前角和上后角施加垂直于前車門內(nèi)板施加178N的分布力（20×20mm）。

約束和加載模型如圖4所示。

圖4 前車門門框剛度分析約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門門框剛度分析結(jié)果如表4所示。

表4 前車門門框剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車車門門框剛度（2.3mm/3.5mm）滿足設(shè)計要求（＜5mm），判斷可行。

4.前車門腰線剛度分析

（1）約束和加載。

約束：在前車門上下鉸鏈軸心處施加約束，限制123456自由度；

在門鎖處約束2356自由度；

加載：在車門腰線位置的內(nèi)外向同時施加Y向各為178N的均布力（20×20mm）。

約束和加載模型如圖5所示。

圖5 前車門腰線剛度分析約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門腰線剛度分析結(jié)果如表5所示。

表5 前車門腰線剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車車門腰線剛度（1.3mm/1.6mm）滿足設(shè)計要求（＜3mm）。

5.前車門鑰匙孔安裝點剛度分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456；

加載：在鑰匙鎖孔處Y向施加200N。

約束和加載模型如圖6所示。

圖6 前車門鑰匙孔安裝點剛度分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門鑰匙孔安裝點剛度分析結(jié)果如表6所示。

表6 前車門鑰匙孔安裝點剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車前車門鑰匙孔安裝點剛度（1000N/mm）滿足設(shè)計要求（＞680 N/mm）。

6.前車門揚聲器安裝點剛度分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456；

加載：在揚聲器安裝點位置Y向施加100N。

約束和加載模型如圖7所示。

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門揚聲器安裝點剛度分析結(jié)果如表7所示。

圖7 前車門揚聲器安裝點剛度分析的約束和加載模型

表7 前車門揚聲器安裝點剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車前車門揚聲器安裝點1處剛度稍差，需要通過在安裝點位置附近設(shè)置加強筋或加高揚聲器安裝處車門內(nèi)板的凸臺高度進行改進，具體結(jié)合周邊系統(tǒng)和整車布置進行抉擇。安裝點2、3處剛度滿足設(shè)計要求（大于75N/mm），判斷可行。

7.前車門升降器安裝點剛度分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456；

加載：在升降器安裝點位置Y向施加100N。

約束和加載模型如圖8所示。

圖8 前車門升降器安裝點剛度分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門升降器安裝點剛度分析結(jié)果如表8所示。

表8 前車門升降器安裝點剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車前車門升降器安裝點處剛度稍差，判斷NG。需要通過在安裝點位置附近設(shè)置加強筋或加高升降器安裝處車門內(nèi)板的凸臺高度進行改進，具體結(jié)合周邊系統(tǒng)和整車布置進行抉擇。

8.前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456。

加載：門內(nèi)板密封條處施加作用力：5.8N/100mm。

約束和加載模型如圖9所示。

圖9 前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度分析結(jié)果如表9所示。

表9 前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度分析結(jié)果

通過分析可知，該車前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度滿足設(shè)計要求。

9．前車門門把手安裝孔強度分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456；

加載：在外開手柄開啟到極限位置上施加法向750N的力。

約束和加載模型如圖10所示。

圖10 前車門門把手安裝孔強度分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門門把手安裝孔強度分析結(jié)果如表10所示，相關(guān)的應(yīng)力云圖如圖11所示。

表10 前車門門把手安裝孔強度分析結(jié)果

圖11 前車門門把手安裝孔強度分析云圖

通過分析可知，該車前車門門把手安裝處的最大應(yīng)力出現(xiàn)在門把手安裝座上，車門外板門把手安裝孔周邊也有較大應(yīng)力分布。但最大應(yīng)力（138MPa）小于材料的抗拉強度（364 MPa）。為改善該處應(yīng)力，可以在車門外板上粘貼適當(dāng)面積的止振材。

10.前車門鉸鏈強度分析

（1）約束和加載。

約束：約束與車身鏈接的鉸鏈板自由度123456；

加載：在過鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心的鉸鏈中間位置建立參考點，在參考點上分別施加縱向力F=11110N，橫向F=8900N。

約束和加載模型如圖12所示。

圖12 前車門鉸鏈強度分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門鉸鏈強度分析結(jié)果如表11所示，相關(guān)的應(yīng)力云圖如圖13所示。

表11 前車門鉸鏈強度分析結(jié)果

通過分析可知，該車前車門鉸鏈最大應(yīng)力（縱向273.2MPa，橫向215.0MPa）小于材料的抗拉強度（581 MPa），判斷可行。

11．前車門保持件強度分析

（1）約束和加載。

約束：約束截取處自由度123456；

加載：在門鎖位置上分別施加縱向力F=11110N，橫向F=8900N。

約束和加載模型如圖14所示。

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門保持件強度分析結(jié)果如表12所示，相關(guān)的應(yīng)力云圖如圖15所示。

表12 前車門保持件強度分析結(jié)果

圖15 前車門保持件強度分析云圖

通過分析可知，該車前車門保持件最大應(yīng)力（縱向74MPa，橫向204MPa）小于材料的抗拉強度（405 MPa）。

12．前車門抗凹性分析

（1）約束和加載。

約束：約束門內(nèi)板與密封條配合面自由度123456；

加載：在外板選擇9個相對薄弱區(qū)域，0～400N的力加載在直徑為 80mm的圓盤上，圓盤底面法向垂直于加載面。在壓頭上建立局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系的Z向平行于壓頭與外板接觸面的法向，壓頭相關(guān)點約束DOF=12456。

約束和加載模型如圖16所示。

圖16 前車門抗凹性分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門抗凹性分析結(jié)果如表13所示。各點載荷與位移關(guān)系曲線圖如圖17所示。

表13 前車門抗凹性分析結(jié)果

圖17 各點載荷與位移關(guān)系曲線圖

通過分析可知，該車前車門在點4、5、6處抗凹性稍差，建議增加防撞梁與車門外板鏈接膠點數(shù)或在X方向延長補強材。

13．前車門下垂分析

模型截?。篈柱沿X向±500mm，A柱沿Y向500mm。

（1）約束和加載。

約束：

車門轉(zhuǎn)15°角：約束側(cè)圍斷面自由度123，門鎖點自由度2；

車門轉(zhuǎn) 65°角：約束側(cè)圍斷面自由度123，門鎖點自由度1。

加載：

自重工況：在車門旋轉(zhuǎn)15和65度角時，-Z向1g加速度施加到車門質(zhì)心位置；

加載工況：在車門旋轉(zhuǎn)15和65度角時，在門鎖位置垂直向下加載1000N的力。

車門轉(zhuǎn)15°和65°有限元模型如圖18所示。

圖18 前車門下垂分析的約束和加載模型

（2）分析結(jié)果。

通過計算可得，該前車門在打開15°和65°時的下垂量如表14所示，詳見圖19。各角度下加載時的塑形變形分析結(jié)果及云圖如表15和圖20所示。

通過分析可知，15°和65°開啟工況下，最大位移和最大殘余變形量有略大于參考值的工況，建議增大兩鉸鏈的間距或添加縱向加強板，以改善。最大塑性應(yīng)變（0.003）均出現(xiàn)在車門內(nèi)板上的下鉸鏈安裝孔附近，滿足設(shè)計要求（＜0.005）。

表14 前車門打開15°和65°時的下垂量分析結(jié)果

圖19 前車門下垂分析結(jié)果

表15 前車門打開15°和65°時的塑性變形分析結(jié)果

三、結(jié)語

通過以上具體項目的分析可以得出以下結(jié)果。

表15 分析結(jié)果匯總

8 密封條安裝處內(nèi)板剛度（mm） 1.0 ＜1.8 OK 9 門把手安裝孔強度（MPa） 138 ＜364 OK 10 鉸鏈強度（MPa）縱向 273.2 ＜581 OK橫向 215 ＜581 OK 11保持件強度（MPa）縱向 74 ＜405 OK橫向 204 ＜405 OK 150N位移值（mm）1.6/1.6/1.7/6.7/3.6/7.0/1.8/2.1/1.4＜4 NG 12 抗凹性400N位移值（mm）7.0/6.1/7.5/12.9/9.5/13.1/5.2/6.3/4.4＜8 NG點4、5、6處抗凹性稍差，建議增加防撞梁與車門外板鏈接膠點數(shù)或在X方向延長補強材15°自重工況最大位移（mm） 0.78 ＜0.7 NG 13 下垂分析15°加載工況最大位移（mm） 9.3 ＜9 NG 15°加載工況殘余變形（mm） 1.12 ＜1 NG 15°最大塑性應(yīng)變 0.003 ＜0.005 OK 60°自重工況最大位移（mm） 0.85 ＜0.7 NG 60°加載工況最大位移（mm） 9.35 ＜9 NG 60°加載工況殘余變形（mm） 0.86 ＜1 OK增大兩鉸鏈的間距或添加縱向加強板，以改善最大位移和最大殘余變形量60°最大塑性應(yīng)變 0.003 ＜0.005 OK

以上通過自由模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、前車門門框剛度、前車門腰線剛度、前車門鑰匙孔安裝點剛度、前車門揚聲器安裝點剛度、前車門升降器安裝點剛度、前車門密封條安裝處車門內(nèi)板剛度、前車門門把手安裝孔強度、前車門鉸鏈強度、前車門保持件強度、前車門抗凹性以及前車門下垂等13個項目的CAE分析，對汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中的CAE應(yīng)用進行了詳細說明，并針對不符合設(shè)計要求的項目提出了合理的改善建議。相關(guān)的改善方案在后期的樣車試制、評價和耐久試驗階段得到了充分的驗證，驗證結(jié)果符合設(shè)計要求。

在汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過所述項目的CAE分析，可以為側(cè)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進和優(yōu)化提供量化的依據(jù)和指導(dǎo)。從而避免設(shè)計階段因方案驗證不足而造成后期試裝、評價和耐久試驗時問題再現(xiàn)所產(chǎn)生的對應(yīng)周期長、費用高等問題。

本文詳細的介紹了汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計時所需要作的CAE分析項目，為廣大的汽車側(cè)門設(shè)計開發(fā)人員提供了一個很好的參照。