袁 理，廖 震，徐中明

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331;2.重慶大學(xué)，重慶 400030)

汽車車門作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的車身部件，是車輛抵擋橫向沖擊的第一道保護(hù)屏障，必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度，并保證其使用壽命。為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，車門各個(gè)零件的厚度需要經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證在強(qiáng)度、剛度符合要求的同時(shí)材料能得到最大化利用［1－4］。本文針對(duì)某多功能汽車車門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了分析與優(yōu)化［5－7］。

1 車門有限元模型

1.1 三維幾何模型

針對(duì)某款新開(kāi)發(fā)的多功能汽車的左前門第一輪設(shè)計(jì)圖樣建立其三維模型，如圖1所示。

圖1 車門三維模型

1.2 有限元模型建模

1.2.1 幾何清理與幾何簡(jiǎn)化

在網(wǎng)格劃分前，對(duì)車門所有薄板零部件抽取中面，然后進(jìn)行幾何清理，包括縫合相鄰面之間的縫隙、刪除重復(fù)面和線上所包括的多余點(diǎn)、修補(bǔ)丟失或破壞的面等。幾何清理完成后進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化。將一些復(fù)雜的幾何特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略對(duì)整體受力情況影響很小的幾何細(xì)節(jié)，這樣可以提高網(wǎng)格質(zhì)量。

1.2.2 零件孔洞的處理

對(duì)于部件安裝孔、定位孔、工藝孔等，在孔位處添加Washer，使得孔位周圍有一層單元包圍，且節(jié)點(diǎn)數(shù)盡量為偶數(shù)。

1.2.3 車門包邊的處理

在該車門模型中，車門外板有包邊工藝處理。由于車門是包薄板沖壓件，厚度方向尺寸均很小。若采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式，則厚度方向的網(wǎng)格始終不能滿足單元質(zhì)量要求。該處的常用處理方法是:將包邊區(qū)域的三層網(wǎng)格中的車門內(nèi)板網(wǎng)格和包邊中的一層網(wǎng)格刪除，只保留一層網(wǎng)格。在包邊內(nèi)側(cè)將車門內(nèi)外板做共節(jié)點(diǎn)處理并將該層網(wǎng)格移至新建圖層。將該圖層單元的材料厚度單獨(dú)定義為:包邊厚度=車門外板厚度×2+車門內(nèi)板厚度。

1.2.4 車門連接處理

車門各零部件大部分是采用焊接工藝實(shí)現(xiàn)連接的。本文采用點(diǎn)焊、縫焊等焊接工藝。根據(jù)模型提供的焊點(diǎn)位置圖，在Hypermesh中通過(guò)connectors-spot命令中的weld單元來(lái)模擬點(diǎn)焊工藝，焊點(diǎn)直徑為5 mm。通過(guò)connectors-seam命令實(shí)現(xiàn)縫焊。在焊接完成后，焊點(diǎn)周圍的單元質(zhì)量往往變差，需要對(duì)這些單元質(zhì)量重新檢查并且進(jìn)行優(yōu)化。在車門外板和外板窗臺(tái)加強(qiáng)板等處采用粘膠連接，這樣處理可以更好地模擬結(jié)構(gòu)的性能。通過(guò)connectors-area命令根據(jù)給出的粘膠位置圖將相應(yīng)單元連接。

1.2.5 單元質(zhì)量檢查

網(wǎng)格劃分完成后需要對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查。如果單元的質(zhì)量不好，會(huì)影響有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，甚至?xí)斐捎?jì)算時(shí)不收斂，因此本次建模過(guò)程中，各零件劃分完成后都按照?qǐng)D2所示的網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，對(duì)不合格或質(zhì)量較差的單元進(jìn)行調(diào)整，直到所有單元都符合質(zhì)量要求。需要注意的是在焊接完成后，焊點(diǎn)附近的單元網(wǎng)格質(zhì)量可能會(huì)變差，需要對(duì)其重新劃分。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定單元尺寸在5到15 mm之間，平均尺寸為10 mm。劃分網(wǎng)格時(shí)采用混合單元，并控制三角形單元的比率不超過(guò)5%。車門網(wǎng)格劃分完成后，共27929個(gè)單元，其中三角形單元為1173個(gè)，占比4.2%，符合要求。焊點(diǎn)采用單元(PWELD)來(lái)處理，焊點(diǎn)直徑取5 mm。本模型中共有焊點(diǎn)227個(gè)。粘膠連接采用固體單元(PSOLID)處理，粘膠連接單元共有15個(gè)。最后根據(jù)車門零件明細(xì)表輸入相應(yīng)的零件厚度和材料參數(shù)。經(jīng)檢查，車門單元質(zhì)量符合技術(shù)要求。得到的車門有限元模型如圖2所示。

圖2 車門有限元模型

2 車門模態(tài)分析

在自由邊界條件下進(jìn)行車門結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。用上述有限元模型對(duì)車門進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到前8階非零模態(tài)的頻率特性，見(jiàn)表1。

表1 前8階非零模態(tài)分析結(jié)果

第1階模態(tài)為1階彎曲，車門在Y方向上彎曲振動(dòng)，最大變形出現(xiàn)在窗框上部的中間。第2階模態(tài)振型為整體彎曲。車門外板中部振動(dòng)彎曲較大，最大變形也出現(xiàn)在車門外板中部。第3階模態(tài)振型為整體彎曲，車門內(nèi)外板的中部振動(dòng)幅度均較大。最大變形出現(xiàn)在車門外板中部。第4階模態(tài)振型為1階整體扭轉(zhuǎn)，車門整體處于XZ平面的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，車框下部以及相鄰車門外板處的變形均較大，最大變形出現(xiàn)在車門內(nèi)板中部。第5階模態(tài)振型為整體彎曲，車窗玻璃導(dǎo)軌振動(dòng)幅度較大，最大變形出現(xiàn)在車門右上部。第6階模態(tài)振型為整體彎扭組合，主要表現(xiàn)為車門內(nèi)板的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和車門外板的彎曲振動(dòng)，其中最大變形出現(xiàn)在車門內(nèi)板中部。第7階模態(tài)振型為整體彎扭組合，內(nèi)外板局部有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，車門整體在Y方向處于彎曲振動(dòng)，最大變形出現(xiàn)在車門外板左下部。第8階模態(tài)振型為XZ平面2階整體扭轉(zhuǎn)，車門內(nèi)外板存在強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其中變形最大的部位出現(xiàn)在車門內(nèi)板門鎖附近。

車門的1階頻率超過(guò)了38 Hz，同時(shí)1階彎曲頻率和1階扭轉(zhuǎn)頻率相差超過(guò)3 Hz，不會(huì)出現(xiàn)耦合，整體符合要求。但是從第2/3階模態(tài)看，車門外板中部的剛度顯得不足。在下面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要對(duì)該處進(jìn)行改進(jìn)。

3 車門靜態(tài)剛度分析

為保證車內(nèi)乘員的生命安全和汽車的使用壽命，車門的結(jié)構(gòu)必須滿足一定的剛度要求。車門靜態(tài)剛度是指車門在承受靜態(tài)載荷時(shí)抵抗變形的能力，按其承受的靜態(tài)載荷情況，可把車門靜態(tài)剛度分為下沉剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。

3.1 車門下沉剛度分析

當(dāng)車門上有垂直載荷作用時(shí)，車門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下沉，采用下沉剛度來(lái)表征車門抵抗Z向(汽車坐標(biāo)系，下同)彎曲變形的能力，下沉剛度值為EI。車門下沉剛度的計(jì)算公式為

其中:EI為車門的下沉剛度(N/mm);F為車門的垂直載荷(N);L為下沉工況下車門加載點(diǎn)處的相對(duì)變形(mm)。

在對(duì)車門進(jìn)行下沉剛度分析時(shí)，分析其在以下2種工況下的剛度:

工況1 約束方式:在車門鉸鏈處約束所有6個(gè)自由度;載荷條件:僅計(jì)算車門自重(17 kg，重力加速度取9.8 N/kg)。

工況2 約束方式:在車門鉸鏈處約束所有6個(gè)自由度;載荷條件:將車門自重計(jì)算在內(nèi)，同時(shí)在門把手處施加735 N的Z向節(jié)點(diǎn)力。

在設(shè)置好約束和載荷條件后在此兩種工況下利用Optistruct進(jìn)行計(jì)算，得到車門在下沉工況下的變形，如圖3、4所示。

圖3 下沉工況1下的車門變形

圖4 下沉工況2下的車門變形

3.2 車門扭轉(zhuǎn)剛度分析

實(shí)際計(jì)算時(shí)常用EI值替代扭轉(zhuǎn)剛度GI值來(lái)衡量車門扭轉(zhuǎn)剛度。采用當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

其中:EI為車門的當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度(N/mm);F為車門的載荷(N);L為扭轉(zhuǎn)工況下車門加載點(diǎn)處的相對(duì)變形(mm)。

通常情況下，車門扭轉(zhuǎn)剛度考慮的工況是約束門鎖處的3個(gè)平動(dòng)自由度和車門鉸鏈約束除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)外的5個(gè)自由度，然后分別在車門內(nèi)板4個(gè)邊角加載183 N的Y向節(jié)點(diǎn)力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車門內(nèi)板左側(cè)兩角施加節(jié)點(diǎn)力后的變形要明顯大于內(nèi)板右側(cè)施加節(jié)點(diǎn)力的情況，故本研究在對(duì)車門進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，只分析其在以下2種工況下的剛度:

工況1 約束方式:門鎖處約束3個(gè)平動(dòng)自由度和車門鉸鏈處約束除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)外的5個(gè)自由度;載荷條件:在車門內(nèi)板左上角施加183 N的Y向反向節(jié)點(diǎn)力。

工況2 約束方式:門鎖處約束3個(gè)平動(dòng)自由度和車門鉸鏈處約束除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的5個(gè)自由度;載荷條件:在車門內(nèi)板左下角施加183 N的Y向反向節(jié)點(diǎn)力。

在設(shè)置好約束和載荷條件后在此2種工況下利用OptiStruct進(jìn)行計(jì)算，得到車門在扭轉(zhuǎn)工況下的變形，如圖5、6所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)工況1下的車門變形

工況1下，車門最大變形量為4.7 mm，在車門右上角位置。工況2下，車門最大變形量為2.3 mm，在車門右下角位置。表2列出了2種工況下車門Z向最大變形和下沉剛度。

圖6 扭轉(zhuǎn)工況2下的車門變形

表2 扭轉(zhuǎn)工況下車門的變形量和剛度

典型汽車車門的平均扭轉(zhuǎn)剛度為94 N/mm。根據(jù)以上結(jié)果可以看出，車門最大變形為4.7 mm，扭轉(zhuǎn)剛度為38.9 N/mm。車門上部的窗框段扭轉(zhuǎn)剛度偏小，容易在Y向作用力下產(chǎn)生變形。針對(duì)此處不足，需要在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮到這一問(wèn)題。

4 車門靜態(tài)強(qiáng)度分析

4.1 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

轎車側(cè)門強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)GB157432—1995對(duì)轎車車門強(qiáng)度有明確要求。將車門靜態(tài)強(qiáng)度分析分為3個(gè)階段，每個(gè)階段須達(dá)到以下要求:

1)初始耐擠壓力不得低于10000 N;

2)中間耐擠壓力不得低于15560 N;

3)最大耐擠壓力不得低于相當(dāng)于整車整備質(zhì)量2倍的力或h和31120 N兩者中的較小值。

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，可以確定以下3種分析工況:

工況1 約束方式:車門鉸鏈固定處施加除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)外的其他約束，門鎖處加Y方向的約束;載荷條件:在車門中間加載10000 N的壓力。

工況2 約束方式:車門鉸鏈固定處施加除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的其他約束，門鎖處加Y方向的約束;載荷條件:在車門中間加載15560N的壓力。

工況3 約束方式:車門鉸鏈固定處施加除繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的其他約束，鉸門鎖處加Y方向的約束;載荷條件:在車門中間加載31120 N的壓力。

4.2 分析結(jié)果

在設(shè)置好約束和載荷條件后，利用Optistruct進(jìn)行計(jì)算，得到車門在扭轉(zhuǎn)工況下的變形，如圖7～9所示。

圖7 靜強(qiáng)度分析工況1下的車門變形

圖8 靜強(qiáng)度分析工況2下的車門變形

工況1變形云圖表明:車門最大變形在車門外板中部，Y向變形量為130 mm，符合小于152 mm的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

工況2變形云圖表明:車門最大變形在車門外板中部，Y向變形量為20 mm，符合小于305 mm的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

工況3變形云圖表明:車門最大變形在車門外板中部，Y向變形量為403 mm，符合小于457 mm的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

車門強(qiáng)度符合國(guó)標(biāo)要求。

5 車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元分析結(jié)果只能指出給定的設(shè)計(jì)方案是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，并不能提出如何改進(jìn)設(shè)計(jì)的意見(jiàn)。而優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化除了車門局部結(jié)構(gòu)需要調(diào)整以外，主要是針對(duì)厚度方向的優(yōu)化，故本文的優(yōu)化采用尺寸優(yōu)化法(size optimization)。

5.1 基于模態(tài)分析和靜態(tài)分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在利用尺寸優(yōu)化法對(duì)車門進(jìn)行改進(jìn)前，通過(guò)上述的模態(tài)分析結(jié)果和靜態(tài)分析結(jié)果，可以對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行小幅適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。根據(jù)第2階和第3階模態(tài)分析結(jié)果，可以看到車門外板中部的剛度偏低。觀察車門整體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該處正好處于車門防撞梁位置。原車門有限元模型中，防撞梁除了兩端通過(guò)托架支撐以外，中間與車門外板之間并無(wú)任何連接。從實(shí)際角度考慮，要想提高車門整體的剛度及頻率特性，車門外板與防撞梁之間應(yīng)該有一定的連接關(guān)系。參考相關(guān)資料，可在車門外板與防撞梁之間使用粘膠連接，如圖10所示。同時(shí)，根據(jù)1階模態(tài)振型圖可知上車框中部的剛度略有不足，故在車框上部的中間部分適當(dāng)增加焊點(diǎn)。由于車窗導(dǎo)軌中間與車門內(nèi)外板沒(méi)有任何連接，為保證其振動(dòng)特性，可在兩端連接處適當(dāng)增加焊點(diǎn)。

圖10 車門與防撞梁的粘膠連接

完成上述初步結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，重新對(duì)車門做模態(tài)分析，模態(tài)頻率比原設(shè)計(jì)有所提高。這里不再詳述。

5.2 尺寸優(yōu)化

5.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化問(wèn)題通?？梢酝ㄟ^(guò)以下函數(shù)表示:

其中:f(x)是目標(biāo)函數(shù);x=［x1，x2，x3，…，xn］是設(shè)計(jì)變量的向量;hj(x)是等式約束，gk(x)是不等式約束，hj(x)、gk(x)是狀態(tài)變量。

本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)是輕量化設(shè)計(jì)，故目標(biāo)函數(shù)取車門質(zhì)量，同時(shí)以車門扭轉(zhuǎn)工況1下的車門變形量為狀態(tài)變量，以車門內(nèi)板為設(shè)計(jì)變量。

5.2.2 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

根據(jù)以上目標(biāo)函數(shù)和約束條件，對(duì)車門內(nèi)板進(jìn)行優(yōu)化分析。最后得出:在滿足扭轉(zhuǎn)工況1和車門內(nèi)板最大變形量不超過(guò)2 mm的條件下，車門內(nèi)板的優(yōu)化厚度為1.9 mm。優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

圖11 車門內(nèi)板尺寸優(yōu)化結(jié)果

將該厚度重新賦予車門內(nèi)板，并對(duì)扭轉(zhuǎn)工況1重新進(jìn)行分析，得出結(jié)果如圖12所示。

根據(jù)圖11、12所示，按照優(yōu)化目標(biāo)，即最大扭轉(zhuǎn)變形不超過(guò)2 mm，在該厚度下的車門扭轉(zhuǎn)變形為2.05 mm，達(dá)到了優(yōu)化的要求，即車門的扭轉(zhuǎn)剛度從39.3 N/mm提高到91.5 N/mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車門內(nèi)板的優(yōu)化。

圖12 優(yōu)化后的車門扭轉(zhuǎn)變形

6 結(jié)束語(yǔ)

本文為某多功能轎車的左前門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行了CAE分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元前處理軟件Hypermesh對(duì)車門劃分網(wǎng)格并得到車門的有限元模型，對(duì)車門做自由模態(tài)分析，考察其頻率振動(dòng)特性。結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車門在特定工況下的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了改進(jìn)方案。最后利用尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到了車門實(shí)際優(yōu)化方案。該方案已在某企業(yè)量產(chǎn)車型中得到應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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