周紅妮， 張繼偉

（湖北汽車工業(yè)學院汽車工程系，湖北十堰442002）

1 引言

汽車車門在使用過程中有時會出現密封不嚴、卡死、噪聲大等現象，大多數是由于在車門設計中剛度不足所造成。因此，在車門設計過程中，其應力和變形都應限定在一定范圍之內，使車門具備足夠的強度和剛度。

有限元分析方法是現代車身設計中的一種主要方法和必要環(huán)節(jié)。在某越野車車門試制階段，針對車門扭轉剛度存在的問題，對其進行了局部加強改進。為驗證改進方案，本文基于有限元分析軟件HYPERWORKS，對車門改進前、后扭轉剛度計算結果進行對比，以確定改進方案是否提高了車門扭轉剛度。

2 車門改進方案的提出

圖1 車門基本結構圖

2.1 車門結構特點

為了適應客戶對車輛多種用途的需求，該越野車的車門在設計時采用的是上下分體式結構：即車門在車身腰線以上的部分設計為可拆開的結構；上半部分通過3根導向桿和前后兩個連接板與下半部分通過螺栓進行連接（見圖1）。此種結構的車門通過拆卸10個連接螺栓，可以實現車門上下兩部分的分離，下半部分可以單獨作為車門進行使用。

2.2 車門存在的問題

在車門試制轉批量、車門板件開模期間，由于沖壓工藝需要，對車門拉延深度較大的地方進行了圓角加大處理，使得試制車門局部結構與量產時車門結構有所不同：下半截車門內板圓角由原來的R11改為R36；由于圓角的變化，后連接板受門鎖安裝位置影響，由“I”型更改為“L”型，如圖 2（a）與圖 2（b）所示。

車門板件全部模具化以后，在整車PT試制階段，通過VES評審，發(fā)現車門存在以下問題：車門在關閉時，上半部分出現晃動；車門上端與門框出現面差；淋雨試驗時車門漏水。

圖2 開模前后局部結構對比

2.3 改進方案的提出

經初步分析，車門剛度可能不夠，導致車門上半部分晃動；在車門關閉后，受車門密封條反力，上端出現面差，從而無法保證車門的密封。由于此時整車即將進入量產階段，解決車門剛性的問題迫在眉睫。而且車門板件所有零件的模具都已完成，如何在盡量不改變現有零件的基礎上提升車門上半部分的剛度，成為了一個亟待攻克的難題。

通過對車門上半部分結構的分析可知：上半截車門的框體部分整體剛性較好，上半部分與下半部分的連接主要依靠3根導向桿和前后兩個連接板，對加強導向桿與框體連接部位進行加強，應該能夠提高車門上半部分的剛性。根據這個思路，提出了以下改進方案：在導向桿與框體連接的根部增加了一個加強板，加強板在與導向桿連接的部位增加翻邊，更改方式見圖3所示。

圖3 加強板結構圖

為了從理論上分析改進后的效果，這里將借助有限元分析軟件HYPERWORKS對改進前、后的車門扭轉剛度計算結果進行對比與分析。

3 有限元模型建立

3.1 主要部件及材料

本文主要對車門設計改進前后作對比分析，同時車門的主要承載是依靠車門板件，因此可以將一些車門附件如：車窗、門鎖、內外開手柄、桿件、密封條等零件不納入分析對象，而僅僅將車門板件總成作為分析對象。車門板件總成主要有：車門內外板（分上下）、外板加強梁、下加強板、導向桿及加強板、門鎖加強板、鉸鏈加強板及前后連接板等。

車門板件的材料均采用優(yōu)質碳素結構鋼08Al，彈性模量E為2.1×105MPa，材料密度為7800kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為240MPa。車門板件的總質量為15.6kg。

3.2 有限元模型

車門板件的幾何模型主要來自開模時三維模型，在UniGraphics中建立，通過UG轉換功能，以iges格式導入到HYPERWORKS中，根據后期計算的需要，導入前應先將實體模型轉換成片體模型。

整個車門板件總成由大量的薄壁沖壓件組成，存在大量的過渡圓角、孔洞和凸臺；在有限元建模時，這些小的細節(jié)會影響單元質量，并增加運算量，因此，需要對模型的細節(jié)進行處理。對于小于5mm的圓角及倒角、半徑小于10mm圓孔等細節(jié)在模型處理時均被忽略［1］。在細節(jié)處理完成后，再將所有零件導入HYPERWORKS進行裝配，形成車門總成。

由于車門板件均為復雜面形成的薄板零件，因此采用殼單元進行結構離散（網格劃分），主體為平面四邊形單元［1］。以平面四邊形單元網格優(yōu)先劃分，為盡量提高計算精度，盡量控制平面三角形單元網格。在車門內、外板邊框處的包邊，并采用厚度為3mm的殼單元模擬。模型的統(tǒng)計信息見表1。車門模型網格劃分外視圖見圖4所示，內視圖見圖5所示。

表1 模型統(tǒng)計信息

圖4 車門模型外視圖

圖5 車門模型內視圖

3.3 焊點及螺栓的模擬

車門板件總成在網格劃分完成后，需要將各個零件之間的關系建立起來，這就需要在模型中對零件的焊點和螺栓連接進行模擬。在工程軟件HYPERWORKS中，對焊點采用了剛性單元連接進行模擬，根據實際焊點的位置及數量（焊點間距平均為50mm），建立對各個零件“焊接”關系。對于螺栓連接部位，除采用剛性單元連接外，還應考慮螺栓連接處的應力集中問題。為使該處及周圍的應力盡量分布均勻，在有限元建模時，將車門鉸鏈螺栓孔連接處及周圍材料連接處的焊點密度加大，可改變此處焊點間平均距離為 20mm［1］。

3.4 鉸鏈及門鎖的模擬

因鉸鏈和門鎖不包括在車門模型中，需要對其進行簡化。在車門鉸鏈和門鎖的螺栓安裝位置使用了剛性單元連接，剛性連接結構中心節(jié)點為獨立節(jié)點，邊緣的節(jié)點依靠于中心的獨立節(jié)點并具有6個自由度約束，它們之間沒有相對位移，這是在螺栓和內板及加強板之間的簡化模擬。這樣螺栓被視為剛度大于板件的剛性體［1］。

3.5 約束與加載方式

結合車門的結構特點，并參照文獻［2］的研究成果［1］，確定車門扭轉剛度計算的約束和加載方式，選定三種工況來對改進前、后車門扭轉剛度進行計算及分析（車門內板右下角處距離鉸鏈位置過近，未考慮作評價）。約束與加載方式詳見表2與圖6所示。

表2 約束和加載方式

圖6 三種工況受力點位置

4 車門扭轉剛度有限元分析

采用有限元分析軟件HYPERWORKS中的OPTISTRUCT模塊，對改進前、后車門扭轉剛度進行計算。三種工況下車門的最大變形分別出現在車門的左上角、右上角和右下角。改進前、后三種工況下車門的最大變形如圖7和圖8所示。改進前、后三種工況下車門的最大位移、扭轉剛度計算結果的比較，如表3所示。

圖7 改進前車門的變形圖

圖8 改進后車門的變形圖

表3 改進前、后結果的比較

通過對比分析結果，可以看出在對車門上窗框與導向桿連接處進行局部加強后，節(jié)點最大位移都有不同程度的減小，且前兩種工況下車門的扭轉剛度得到了明顯的提升，第三種工況下則不是很明顯。但綜合來說，改進后的效果還是比較明顯的。且經對該改進方案進行試制驗證，表明此方案確實切實有效地提高了車門扭轉剛度，成功解決了車門在量產后可能出現的晃動、漏風、漏水等質量問題。該改進方案的設計最終在車門批量生產中得到實施。

5 結論

本文針對某越野車車門扭轉剛度不足的問題，提出了改進設計方案。利用HYPERWORKS軟件，建立了車門總成有限元分析模型，對不同工況下車門改進前、后扭轉剛度計算結果進行了對比與分析，結論如下：

（1）開模后車門局部結構有所變化，車門前后連接板結構更改（前為“I”型；后為“L”型），合理的設計上下部分連接板對整體剛度可能有較大影響。

（2）車門的承力點鉸鏈、門鎖均在下半部分，上半截窗框沒有這樣的支撐點，上半截窗框部位的剛度明顯比下部要低很多，因此在設計上下部分連接時，需要盡量提高窗框根部連接的剛度、強度，故根據實際情況，在導向桿與框體連接的根部增加了一個加強板。

（3）對比三種工況下車門改進前、后扭轉剛度計算結果，綜合來說改進后車門的扭轉剛度得到較為明顯的提升，為改進方案的確定提供了理論依據。

（4）經對該改進方案進行試制驗證，表明此方案切實有效地提高了車門扭轉剛度。

［1］ 張繼偉，馬迅，郝琪.基于計算機模擬的車門扭轉剛度的分析及評價［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2007，21（2）：5-7.

［2］ OPBROEK E.Ultralight steel auto closures project［R］.SAE，982308.

［3］ 郝琪.基于計算機模擬的車門下沉剛度改進設計及模態(tài)分析［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2006，20（2）：7-10.

［4］ 馬迅.輕型客車結構剛度與模態(tài)的有限元分析［J］.機械科學與技術，2002，21（1）：86-88.

［5］ 葉德濤.FEM技術用于車門設計的研究［J］.拖拉機與農用運輸車，2006，33（4）：18-19.