基于Nastran的車門結(jié)構(gòu)有限元分析

葛鵬翼 孟少杰 王尊

摘 要：汽車整車包括了白車身、四門兩蓋、中控、座椅等子系統(tǒng)，其中，車門不僅是乘員進(jìn)出汽車的通道，也是隔絕外界氣流和噪聲干擾的重要防護(hù)系統(tǒng)，更能避免駕駛員在緊急情況下發(fā)生側(cè)碰意外，市面上的主要乘用車的車門數(shù)量從2至5不等，本文針對(duì)現(xiàn)階段的某款4門乘用車型，利用hypermesh對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，得到其有限元模型，并根據(jù)該模型對(duì)其剛度和前3階模態(tài)進(jìn)行了分析，為后續(xù)人員的優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車門;剛度;網(wǎng)格劃分;有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.050

0 引言

車門的剛度決定了車門抵抗彈性變形的能力，剛度如果達(dá)不到所需，可能導(dǎo)致車門在外力碰撞下變形，對(duì)乘員生命安全造成損害。車門的開關(guān)是一個(gè)循環(huán)往復(fù)地過(guò)程，在閉合過(guò)程中車門承受剛性沖擊，足夠的剛度能夠保證車門的耐久性要求，避免車門發(fā)生疲勞變形甚至開裂[1]。針對(duì)車門系統(tǒng)，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究與優(yōu)化，例如華南理工大學(xué)的劉云剛對(duì)基于剛度和耐久性進(jìn)行了優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，并最終提高了車門剛度并完成了輕量化設(shè)計(jì)[2];湖南大學(xué)的宋琪對(duì)車門進(jìn)行了動(dòng)靜力學(xué)的分析，并且加以實(shí)驗(yàn)論證，證明了分析的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。

1 車門有限元模型的建立

車門包括了車門外板、車門內(nèi)板、車門加強(qiáng)橫梁、車門鉸鏈、車門開度限位器、車門玻璃等主要零部件以及密封條、鉸鏈從屬零部件。車門的幾何模型由catia進(jìn)行繪制，車門的主要零部件如車門的內(nèi)外等基本都為沖壓件，所以在網(wǎng)格劃分的時(shí)候采用殼單元進(jìn)行模擬，除鉸鏈等極少數(shù)零部件為鑄造件需用體網(wǎng)格劃分。車身的前處理是網(wǎng)格劃分的難點(diǎn)，主要存在如下幾點(diǎn)：（1）由于車身零部件眾多，且殼、體2種屬性單元都具備，材料屬性各不相同，連結(jié)方式各異，通常一部整車大大小小零部件可能有上千之多，所以工作量巨大。（2）汽車的幾何模型尤其是車身曲面相較于其他工業(yè)產(chǎn)品尤為復(fù)雜，過(guò)多的曲面使得幾何特征的結(jié)構(gòu)線眾多，在實(shí)際處理中，需清理掉幾何模型中的結(jié)構(gòu)線，但是結(jié)構(gòu)線清理過(guò)多，也會(huì)造成幾何模型和有限元模型相差過(guò)大，偏離實(shí)際造型，故需要對(duì)幾何模型進(jìn)行預(yù)先分析，合理的清理構(gòu)造線。（3）針對(duì)殼單元零部件，在幾何復(fù)雜的情況下，抽取中面之后可能存在面的丟失，需要重新補(bǔ)面。補(bǔ)面的工作也十分耗時(shí)耗力。在實(shí)際工作中針對(duì)整車的前處理基本都使用hypermesh或者ANSA進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這兩款軟件在處理曲面零部件時(shí)有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文采用hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格前處理，在處理的過(guò)程中將網(wǎng)格屬性設(shè)置為Nastran標(biāo)準(zhǔn)。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用8mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置最小尺寸為3，翹曲為15。該標(biāo)準(zhǔn)為通用一般標(biāo)準(zhǔn)，某些更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)將最小尺寸設(shè)置為5，翹曲設(shè)置為11，這樣雖然會(huì)使網(wǎng)格質(zhì)量更高，后處理結(jié)果也會(huì)更準(zhǔn)確，但是極大地加大了前處理的難度。在導(dǎo)入幾何模型之后，選擇Nastran求解器，之后對(duì)零部件進(jìn)行編號(hào)，按照項(xiàng)目代號(hào)材料厚度對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。之后開始對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)鈑金類零件進(jìn)行抽取中面、結(jié)構(gòu)線清理、中面修補(bǔ)，對(duì)螺紋孔進(jìn)行3到5不等的擴(kuò)孔，定位孔則按情況而定進(jìn)行4節(jié)點(diǎn)代替或?qū)⒖淄鈹U(kuò)4mm，刪除幾何中的多余節(jié)點(diǎn)，避免網(wǎng)格畸形。網(wǎng)格的質(zhì)量必須全部滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)格全部滿足標(biāo)準(zhǔn)后，檢查是否存在重復(fù)面、自由邊、網(wǎng)格法向是否相同，網(wǎng)格大致走向是否一致。在車門的前處理過(guò)程中，需要注意的就是包邊的處理，在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，車門的內(nèi)外板由金屬材料沖壓落料而成，外板將內(nèi)板用10毫米左右的包邊包住。其次是粘膠的處理，在外板和支撐架之間有粘膠槽，在有限元建模中，不可將其結(jié)構(gòu)線清理，需要將膠槽保留，并且用一層體網(wǎng)格代替粘膠。之后打上焊點(diǎn)固定，最后用設(shè)備將內(nèi)外板包邊成型。在有限元處理包邊過(guò)程中，需要有3個(gè)層級(jí)，第一層是內(nèi)板層，第二層外板層，第三層包邊層，這三層需要網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)都能對(duì)齊一致，及內(nèi)板外板邊界對(duì)齊，并且其節(jié)點(diǎn)數(shù)和包邊相同，網(wǎng)格劃分完畢之后，需要對(duì)所劃分的網(wǎng)格建立相應(yīng)的屬性，車門的通常用的材料為線性材料，如鋼和鋁等，建立相應(yīng)的材料卡片，設(shè)置材料對(duì)應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度，之后在屬性里賦予各個(gè)網(wǎng)格的厚度，并將其材料屬性和厚度屬性賦予車門的各個(gè)零部件，檢查干涉和穿透，雖然在實(shí)際裝配中零部件是不可能發(fā)生干涉，但是在網(wǎng)格劃分中由于和幾何模型會(huì)有偏差，以及倒角處1排或者2排網(wǎng)格不能完美地描述倒角度數(shù)，因此網(wǎng)格劃分后干涉是不可避免的，需要調(diào)整網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)，將其偏移不同的距離，以消除干涉，個(gè)別零部件發(fā)生干涉的網(wǎng)格數(shù)量巨大，此時(shí)需要將整個(gè)層進(jìn)行偏移。最后將處理好的零部件用reb2、reb3單元約束，完成有限元分析的前處理，該模型總網(wǎng)格數(shù)47683，總節(jié)點(diǎn)數(shù)48145。車身有限元模型如圖1所示;車身主要零部件參數(shù)如表1所示。

2 車門的剛度分析

車門剛度包括下沉、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度，其中，下沉和彎曲剛度是主要的，本文對(duì)其下沉剛度進(jìn)行研究，下沉剛度不足，會(huì)導(dǎo)致車門發(fā)生漏水，震動(dòng)異響。車門下垂剛度主要是指約束車門鉸鏈處全部6個(gè)方向的自由度，考慮車門自重，同時(shí)在車門把手處加載，以國(guó)標(biāo)規(guī)定乘員體重800N為標(biāo)準(zhǔn)，垂直向下施加于把手上，對(duì)鉸鏈孔中reb2單元的主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行全零位移約束;接著在分析主菜單，選擇限制工具添加約束。在把手處添加800N的力，使用forces設(shè)置，選擇把手節(jié)點(diǎn)，設(shè)置力大小為-800N，方向?yàn)閦軸，完成創(chuàng)建。同理，創(chuàng)建名為grave的載荷，用于設(shè)置重力加速度，為其設(shè)置屬性，即卡片屬性為GRAV。其中N1～N3表示方向向量;接著進(jìn)行載荷設(shè)置，選擇為載荷，設(shè)置num2，因?yàn)楹罄m(xù)要選擇載荷，Nastran只能選擇一個(gè)，需要用load將load和grave合為一個(gè)，s表示比例因子，設(shè)為1，載荷和約束設(shè)置完畢，之后用Nastran求解器求解，在hyperview中顯示位移云圖，得到分析結(jié)果。如下圖所示2—4所示：

其中x向的最大變形量為2.157mm，y向的最大變形量為2.601mm，z向最大變形量為0.3mm，變形量均在5mm以內(nèi)，在鉸鏈處應(yīng)力較大，應(yīng)力集中為258MPA，但是鉸鏈周圍的應(yīng)力基本維持在160—180MPA之間，說(shuō)明局部應(yīng)力并不會(huì)對(duì)車門整體產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，分析表明車門變形量較小，應(yīng)力集中區(qū)域與所估計(jì)基本一致，參照國(guó)外較有代表性的轎車，其下沉剛度平均值為287N·mm-1，即要求該車門在此工況下的最大平均變形位移為2.61mm。說(shuō)明該車門設(shè)計(jì)基本合理。但是后續(xù)仍可加厚車門的厚度，建議將車門內(nèi)外版加厚0.5mm，提高下沉剛度，使得y向變形更小。

3 車門的模態(tài)分析

模態(tài)分析有自由模態(tài)和約束模態(tài)，車門采用自由模態(tài)的分析方法。添加載荷，卡片屬性為EIGRL即蘭索式法模態(tài)分析。設(shè)置起始頻率v1、截止頻率v2。其中v1設(shè)為0.01避免剛體模態(tài)，ND為所求模態(tài)階數(shù)，設(shè)為3。模態(tài)分析為動(dòng)態(tài)分析，所以需要考慮阻尼，本有限元模型使用模態(tài)阻尼，通過(guò)celas2單元添加，通過(guò)求解，在hyperview里得到前3階模態(tài)位移云圖。如下圖5—7所示：

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行總結(jié)分析，新能源汽車的主要激勵(lì)主要來(lái)自于道路和車輪，其中道路激勵(lì)的頻率較低，通常在5hz以內(nèi)，車門的激勵(lì)通常在11hz以內(nèi)，要求的車門的自由模態(tài)頻率在30hz以上，該車門的一階自由模態(tài)的頻率為35hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于安全標(biāo)準(zhǔn)，表明車門設(shè)計(jì)是安全的，可以避免和常見(jiàn)激勵(lì)發(fā)生共振。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢志波，譚繼錦，汪小朋，汪偉康，潘鵬.多目標(biāo)優(yōu)化下汽車車門性能分析研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，40（07）：888-891.

[2]劉云剛.基于剛度和耐撞性的車門結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究[D].華南理工大學(xué)，2013.

[3]宋琪.車門動(dòng)靜態(tài)特性分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D].湖南大學(xué)，2016.