某轎車車門窗框剛度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

路忠鋒

摘 要：為解決前門窗框剛度不足的問題，借助CAE前后處理軟件HyperMesh & HyperView及ABAQUS軟件，對某車型窗框剛度進(jìn)行分析，通過查看應(yīng)變云圖，找到剛度薄弱處并進(jìn)行優(yōu)化，得到相關(guān)數(shù)據(jù)。通過優(yōu)化窗框結(jié)構(gòu)方案，滿足窗框剛度設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：轎車車門;窗框剛度;剛度分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-116-03

Stiffness Analysis And Structure Optimization Of a Car Door Window Frame

Lu Zhongfeng

（ Baoneng （Xi'an） Automotive Research Institute Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 712000 ）

Abstract： In order to solve the problem of insufficient stiffness of the front door window frame， we can analyze its stiffness with the help of the CAE pre-processing software HyperMesh & hyperview and ABAQUS， find the weak points of stiffness and optimizes it by looking over the strain nephogram， and obtain the relevant data. The stiffness of a door window frame can be satisfied by optimzation structure design.

Keywords： Car door; Window frame stiffness; Stiffness analysis; Structural optimization

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-116-03

引言

隨著汽車工業(yè)的高度發(fā)展，汽車保有量越來越高，車門作為汽車的一個重要組成，其品質(zhì)在一定程度上反映一家主機(jī)廠的造車水平。作為一個綜合性的轉(zhuǎn)動部件，車門和駕駛室一起形成乘員的生存空間，當(dāng)車門閉合時，應(yīng)具有良好的振動特性，足夠的強(qiáng)度和剛度，耐沖擊性能以及側(cè)碰時的抗碰撞特性。傳統(tǒng)的設(shè)計車門的方法，通常是在樣車階段對車門剛度進(jìn)行反復(fù)多次的試驗，這樣會大大增加開發(fā)成本和周期。隨著有限元的發(fā)展，在汽車開發(fā)初期對車門進(jìn)行窗框剛度分析[1]，并對不合格的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，在項目中期車門樣件出來后，進(jìn)行試驗驗證，使車門達(dá)到目標(biāo)要求，從而降低開發(fā)成本，縮短車門開發(fā)周期。

1 車門窗框剛度對車輛性能的影響

1.1 車門窗框剛度

車門剛度[2]是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力，用對車門窗框施加載荷與車門承受載荷后產(chǎn)生的變形之間的關(guān)系來表示剛度。

1.2 側(cè)向窗框剛度

汽車車門系統(tǒng)作為用戶經(jīng)常使用、接觸的部件，需具有足夠的剛度以滿足用戶對使用性能、外觀及噪聲的要求，且車門的品質(zhì)在一定程度上反映了造車的水平。車門角剛度作為衡量車門品質(zhì)的一項重要指標(biāo)，若剛度不足，會導(dǎo)致變形，影響外觀間隙和平度;而變形過大，則會影響密封條的密封性，造成噪聲和高速振動問題[3]。

2 優(yōu)化前CAE窗框剛度分析

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

利用HyperMesh 建立與實車結(jié)構(gòu)一致的前門有限元模型，見圖1。該有限元分析包括車門鈑金件和門鉸鏈。

2.2 邊界條件及工況載荷

以某轎車前門為例，在車門后角點(diǎn)進(jìn)行加載，如圖2所示。分析邊界條件：在整車坐標(biāo)系下，門鉸鏈處約束123456，門鎖處約束123456[4]。

1）前角點(diǎn)側(cè)向剛度：前角點(diǎn)施加Y向載荷500N后移除外載。

2）后角點(diǎn)側(cè)向剛度：后角點(diǎn)施加Y向載荷500N后移除外載。

3）前門后角點(diǎn)由于圓弧過渡不容易確定時，圖示方法如圖3所示確定：1）直線A為門窗玻璃的前上角點(diǎn)和后下角點(diǎn)的連線。2）后角點(diǎn)定為窗框上距離直線最遠(yuǎn)點(diǎn)。3）如果有兩點(diǎn)距離直線A同樣預(yù)遠(yuǎn)，如B和C，則取B位置的距離鉸鏈軸線最遠(yuǎn)點(diǎn)作為后角點(diǎn)，因為此處剛度較弱。

2.3 原方案側(cè)向剛度CAE 分析結(jié)果

該分析項為非線性分析，采用ABAQUS進(jìn)行計算分析[1]，利用HyperView后處理查看側(cè)向剛度的位移云圖，圖4和圖5所示，記錄加載點(diǎn)在各載荷步下的Y向位移值。

分析結(jié)果如表1所示，全角載荷為500N時的Y向變形加載點(diǎn)位移值10.32mm，卸載后加載點(diǎn)位移值2.39mm。

3 優(yōu)化方案及相應(yīng)CAE分析

3.1 車門窗框剛度優(yōu)化

從分析的結(jié)果可以看出：載荷為500N時的剛度值不滿足要求，需要進(jìn)行優(yōu)化分析。如圖6所示，加載500N的應(yīng)變圖顯示，最大應(yīng)變集中在前門后部窗框總成與前門內(nèi)板連接處，說明該處結(jié)構(gòu)相對薄弱，對門的窗框剛度的影響較大。

針對以上描述，如要提高窗框剛度，需提到前門后部窗框總成與前門內(nèi)板連接處的剛度。優(yōu)化前，前門后部窗框結(jié)構(gòu)9個三層板焊點(diǎn)，3個兩層板焊點(diǎn);優(yōu)化后，前門后部窗框結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并增加到11個三層板焊點(diǎn)，3個兩層板焊點(diǎn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后增加了三層板焊點(diǎn)@1，@2;兩層板焊點(diǎn)@3滿足車門窗框剛度。