何雪明,童潔,戴進(jìn),葉水平,謝長江

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；2.無錫忻潤汽車安全系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214154)

汽車車門內(nèi)鎖止有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

何雪明1,童潔1,戴進(jìn)1,葉水平1,謝長江2

(1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；2.無錫忻潤汽車安全系統(tǒng)有限公司，江蘇無錫 214154)

利用Unigraphics NX軟件平臺，對內(nèi)鎖止進(jìn)行有限元仿真，分析其工作時受到的應(yīng)力和位移。依據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在凸耳根部，針對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出增大凸耳根部寬度并增添加強(qiáng)筋以求減小最大應(yīng)力。實施結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再次進(jìn)行有限元仿真，對比前后兩次有限元分析結(jié)果可知：該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可有效減小內(nèi)鎖止工作時最大應(yīng)力和位移，提高其工作可靠性和延長使用壽命，實現(xiàn)增強(qiáng)汽車安全性能的目的。

內(nèi)鎖止；有限元分析；應(yīng)力；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0　引言

中國是汽車生產(chǎn)大國，汽車的市場需求量逐年上漲，隨著汽車生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，市場在要求汽車各零部件加工制造工藝技術(shù)提高的同時，用戶對其功能性、安全性能、美觀程度及使用舒適性的要求也越來越高。其中，汽車的安全性能一直是大家關(guān)注的重點(diǎn)，會受到汽車配件、控制系統(tǒng)等多方面的影響。例如車輪、安全氣囊、安全帶、防抱制動系統(tǒng)(ABS)等大零部件或系統(tǒng)[1]，即使是螺釘這樣的小零件，也有可能引發(fā)大的安全事故。作為汽車必備的配件之一，汽車車鎖是汽車門蓋系統(tǒng)中重要功能件，也是重要的安全防盜部件。一輛汽車上主要有車門鎖、點(diǎn)火鎖、后備廂鎖三大類車鎖。

對于各類車鎖，國家標(biāo)準(zhǔn)GB11568《汽車罩(蓋)鎖系統(tǒng)》和GB15086《汽車門鎖以及車門保持件的性能要求和實驗方法》對汽車門鎖的性能要求有詳細(xì)的說明[2]。標(biāo)準(zhǔn)要求汽車上的鎖止裝置能承受一定的慣性載荷，能可靠地將門蓋系統(tǒng)保持在鎖止位置，在任何工況下尤其是車輛行駛過程中不能自動打開。

某公司自行開發(fā)設(shè)計了某一系列車鎖，其中包括車門鎖和后備廂鎖。文中將基于Unigraphics NX軟件平臺[3]，對其中一款車門鎖的內(nèi)鎖止進(jìn)行有限元仿真，分析其工作時受到的應(yīng)力大小及位移。在滿足使用要求的前提下，根據(jù)有限元應(yīng)力分析結(jié)果對受最大應(yīng)力處的結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)修改，再次進(jìn)行有限元分析并與前次分析數(shù)據(jù)對比，以驗證其結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性。

1　內(nèi)鎖止結(jié)構(gòu)及工作過程

圖1所示為該公司的某款內(nèi)鎖止三維模型，安裝在駕駛室車門內(nèi)側(cè)，通過拉絲與按鈕相連接，按鈕只能由駕駛員控制。其主要功能是當(dāng)汽車門關(guān)上以后，方便駕駛員在車內(nèi)對車門進(jìn)行上鎖，防止在車輛行進(jìn)過程中車門打開造成危險。當(dāng)汽車停下后，打開車門之前通過按動內(nèi)鎖止按鈕對車門進(jìn)行解鎖，然后才能打開車門。當(dāng)按下按鈕時，內(nèi)鎖止在拉絲的作用力下繞軸轉(zhuǎn)動，以達(dá)到鎖死或解鎖的目的。內(nèi)鎖止按鈕的鎖止功能保證了車門在行車時不能打開，尤其可以防止兒童誤開車門，保證車內(nèi)人員安全，因此必須保證其功能性、可靠性及使用壽命。

2　有限元分析

有限元分析可以對機(jī)械零件真實的載荷工況進(jìn)行仿真模擬[4-5]，是機(jī)械零件設(shè)計中廣泛采用的分析手段。該款內(nèi)鎖止在工作時是否會發(fā)生破壞取決于其最脆弱部位的強(qiáng)度。因此，完成內(nèi)鎖止結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，需要進(jìn)行三維模型的有限元仿真，分析在按鈕被按壓時內(nèi)鎖止所受到的最大應(yīng)力和發(fā)生的最大位移。

2.1模型網(wǎng)格劃分

對三維模型進(jìn)行正確的網(wǎng)格劃分是有效進(jìn)行有限元仿真分析的基礎(chǔ)，合理選擇網(wǎng)格類型及網(wǎng)格大小是獲得精確有限元分析結(jié)果的前提。在劃分網(wǎng)格之前，需要對模型進(jìn)行幾何清理。這是由于設(shè)計時的曲面結(jié)構(gòu)建?？赡軙嬖诳p隙、重疊、穿孔等缺陷，引起網(wǎng)格單元扭曲，導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量不高，最終影響有限元分析結(jié)果的精確性。文中采用10節(jié)點(diǎn)的3D四面體單元劃分網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格大小為2.83 mm。檢查結(jié)果顯示網(wǎng)格分布均勻且質(zhì)量良好，共產(chǎn)生7 088個四面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13 529個，如圖2所示。

2.2參數(shù)設(shè)置

實際情況中通常采用高分子材料制造內(nèi)鎖止，因此指派有限元分析模型材料為ABS。

根據(jù)工作過程，內(nèi)鎖止在拉絲的拉力作用下會繞兩側(cè)的安裝軸轉(zhuǎn)動，因此采取對兩側(cè)的軸孔設(shè)置銷釘約束的方法來模擬該約束。依據(jù)內(nèi)鎖止工作時的受力情況，載荷應(yīng)加載在拉絲的安裝孔中，設(shè)置大小為10 N，經(jīng)過換算后拉絲安裝孔的作用面上受到了1.67 N/mm2的拉力，選用NX NASTRAN求解器進(jìn)行計算求解。

2.3有限元分析結(jié)果

圖3為內(nèi)鎖止工作時的應(yīng)力云圖，圖4為位移云圖。從圖3可看出：大應(yīng)力主要集中在其他零件對內(nèi)鎖止作用力的作用點(diǎn)處，而整體模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)鎖止凸耳根部，即第1 735個單元體上、第12 548個節(jié)點(diǎn)處，大小為3.513 MPa。由圖4可知：最大位移值為0.060 9 mm，出現(xiàn)在凸耳結(jié)構(gòu)的頂部，分析結(jié)果與實際工況相符合。

為了確定最大應(yīng)力出現(xiàn)的準(zhǔn)確位置，對模型有選擇性地取點(diǎn)進(jìn)行研究。如圖5所示，在內(nèi)鎖止凸耳上取一點(diǎn)，研究從選取點(diǎn)開始沿著箭頭方向連續(xù)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力并繪制成折線圖，如圖6所示，橫坐標(biāo)表示離選取點(diǎn)的距離。測量結(jié)果顯示：各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力呈先增大再減小變化的變化趨勢，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在距離選取點(diǎn)12.742 mm的位置，也是整個模型的最大應(yīng)力位置，這與應(yīng)力云圖的分析結(jié)果相符。

3　結(jié)構(gòu)改進(jìn)及有限元分析

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果可知：內(nèi)鎖止工作時最大應(yīng)力出現(xiàn)在與安裝拉絲的凸耳處，存在破壞的隱患。實際工況中，按鈕受到的作用力有大有小，拉絲傳遞的拉力也隨之變化，且內(nèi)鎖止需要反復(fù)工作多次，凸耳結(jié)構(gòu)的根部容易發(fā)生斷裂。根據(jù)使用要求，必須降低峰值點(diǎn)的應(yīng)力值，同時保證內(nèi)鎖止的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

經(jīng)過研究討論，決定對凸耳結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在凸耳最大應(yīng)力出現(xiàn)位置增大底部寬度，另一側(cè)改為倒圓結(jié)構(gòu)，半徑為4.94 mm，這樣可以減小受到的應(yīng)力峰值同時增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長使用壽命。同時，在內(nèi)側(cè)不妨礙拉絲孔和軸孔的合適位置增加了厚度為1.48 mm的加強(qiáng)筋[6-7]，圖7為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的內(nèi)鎖止模型，其中深色部分即為修改結(jié)構(gòu)。對改進(jìn)后的內(nèi)鎖止需要再次進(jìn)行有限元分析。為了使對比結(jié)果更準(zhǔn)確，同樣采用10節(jié)點(diǎn)的3D四面體單元劃分網(wǎng)格，且網(wǎng)格大小仍設(shè)置成2.83 mm。由于內(nèi)鎖止結(jié)構(gòu)上發(fā)生了變化，劃分網(wǎng)格后四面體單元增至9 003個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為16 800個。

圖8和圖9分別為改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的內(nèi)鎖止在工作時的應(yīng)力和位移分析結(jié)果。從圖8可知：最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置發(fā)生了變化，從凸耳根部變成了拉絲安裝孔處，大小為2.512 MPa，比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前減小了18.5%。圖9表明了最大位移值為0.039 7 mm，比原有模型減小了34.8%。

根據(jù)如圖5所示的測量路徑，再次取點(diǎn)測量并繪出節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與距離關(guān)系折線圖，如圖10所示?？煽闯觯汗?jié)點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相同，局部最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為2.152 MPa，出現(xiàn)在距離選取點(diǎn)18.368 mm的位置，但不是整個模型的最大應(yīng)力位置，與應(yīng)力云圖的分析結(jié)果一致。得出結(jié)論：這樣的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效降低內(nèi)鎖止工作的最大應(yīng)力，減小工作時的位移，能夠很好地改善內(nèi)鎖止的使用性能，延長其使用壽命。

前后兩次有限元分析后的最大應(yīng)力和最大位移對比見表1?？煽闯觯簝?nèi)鎖止結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，最大應(yīng)力和最大位移均明顯降低，大大提高了內(nèi)鎖止工作可靠性。這表明該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效、可行。

表1　有限元分析結(jié)果對比

4　結(jié)論

對某款內(nèi)鎖止進(jìn)行了簡單的結(jié)構(gòu)分析，基于有限元分析結(jié)果，提出改進(jìn)凸耳結(jié)構(gòu)及增加加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并再次進(jìn)行有限元分析。對比了前后兩次內(nèi)鎖止的應(yīng)力與位移，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可大幅度降低內(nèi)鎖止工作時受到的最大應(yīng)力及最大位移量，從而可以實現(xiàn)延長內(nèi)鎖止使用壽命，減小其失效可能性，增強(qiáng)汽車安全性能，達(dá)到了預(yù)期目的。

【1】劉福全.汽車安全控制新技術(shù)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2008(4)：62-63.

【2】汪祥，賀占魁，李濤.汽車鎖鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].汽車工程師，2014(6)：39-43.

【3】童欽，孟廣耀，黃居鑫，等.UG和ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計比較[J].裝備制造技術(shù)，2014(6)：115-117，136.

【4】陳濤.兒童鎖機(jī)構(gòu)的改進(jìn)及有限元分析[J].汽車實用技術(shù)，2011(8)：1-4.

【5】靖娟.汽車車輪的有限元分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27(1)：102-104.

【6】麥云飛，劉威.基于ANSYS的汽車儀表板側(cè)蓋板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械工程及自動化，2015(1)：86-88.

【7】何雪明，陳偉民，劉洪園.基于UG的起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析和優(yōu)化[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2013,28(1)：65-68.

FEA and Optimization for Vehicle Inner-door Latch

HE Xueming1, TONG Jie1, DAI Jin1, YE Shuiping1, XIE Changjiang2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Wuxi Xinrun Vehicle Security System Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214154,China)

With the help of Unigraphics NX software platform, the finite element simulation and analysis were carried on the inner-door latch model to analyze its stress and displacement when it worked. The maximum stress was found occurring at the convex lug root from the results of the analysis.To reduce the maximum stress, a proposal was submitted in which the width of the convex lug root was increased and stiffeners was added. After optimization, the FEA was conducted again and compared with the former results.It is shown that the structure optimization scheme can effectively reduce the maximum working stress and displacement of the inner-door latch, as well as the work reliability and life are improved with vehicle security enhanced.

Inner-door latch；Finite element analysis；Stress；Structure optimization

2015-06-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275210)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研資助項目(BY2013015-30)；江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2013-ZBZZ-016)

何雪明(1966—)，男，博士，教授,碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為自由曲線、曲面CAD/CAM和逆向工程。E-mail：hxuem2003@163.com。

童潔，E-mail：tongjie_jn@126.com。