許佳斌, 張瑞乾, 曹國棟
(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京100192)
車門作為車身結(jié)構(gòu)的重要組成部件,其通過鉸鏈與車身連接,與車身一起為乘客提供安全的乘坐空間。車門主要由車門外板、車門內(nèi)板、窗框加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、鉸鏈安裝板、防撞桿和鉸鏈等組成[1]。車門剛度是車門設(shè)計中的重要參數(shù)之一,直接影響整車的舒適性和安全性[2-3]。因此,在汽車開發(fā)設(shè)計階段,應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對車門結(jié)構(gòu)中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化處理,從而提高產(chǎn)品整體的質(zhì)量和性能。
本文利用有限元方法,通過計算機(jī)仿真對某款SUV前車門的模態(tài)、下沉剛度、扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了分析與計算,發(fā)現(xiàn)車門結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題,為提高車門性能提供了參考依據(jù)。
首先,在CATIA軟件中,根據(jù)車門的設(shè)計尺寸建立車門的三維幾何模型,如圖1所示,然后導(dǎo)入到有限元分析軟件HyperMesh中進(jìn)行幾何修復(fù),對于車門結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布影響很小的某些功能件和非主要承載件進(jìn)行模型的簡化,如忽略直徑小于16 mm的圓孔、半徑小于5 mm的過渡圓角和倒角,以此獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量,提高求解精度。前車門所有薄板沖壓成型件均采用四邊形Quads和三節(jié)點三角形Trias殼單元,單元尺寸控制在4~17 mm,平均單元尺寸控制在10 mm,殼單元共14 749個,三角形單元1 025個,占6.95%(<8%);采用剛性的RBE2單元模擬焊點,weld焊點共87個,同時用Rigid模擬螺栓連接,剛性連接點共145個,最后定義各零件的材料屬性[4]。建立的車門有限元模型如圖2所示。
圖1 車門三維CAD模型
圖2 車門有限元模型
左前車門作為整車中非常重要的一個結(jié)構(gòu)部件,在設(shè)計時,其一階固有頻率應(yīng)該避開道路激勵頻率、傳動軸激勵頻率以及發(fā)動機(jī)激勵頻率,從而避免發(fā)生共振,產(chǎn)生振動噪聲,影響乘員舒適性。
對車門進(jìn)行自由模態(tài)分析時,車門處于無約束和無加載工況,求解得到前4階自由模態(tài)固有頻率和振型,如表1所示。
表1 車門模態(tài)計算結(jié)果
從分析得到結(jié)果看,第一階模態(tài)僅有23.4 Hz,頻率值偏低,為避免共振現(xiàn)象應(yīng)該進(jìn)行改進(jìn)。
由于對車門剛度的評價沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī),所以在對該車車門的下沉剛度分析中,需要參考典型車車門的特征值來判斷其下沉剛度是否滿足要求。參照實驗規(guī)定要求,車門除受重力外,在車門內(nèi)側(cè)把手處施加1000N垂直向下的載荷,并在車門鉸鏈處進(jìn)行全約束,對車門開啟15°和68°兩種工況進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖3、圖4所示。
分析得出加載點在車門開啟15°和68°時,殘余變形分別為4.0mm和2.76mm;最大變形為11.2mm和9.1mm,而一般對車門的下沉要求是小于2 mm,表明該車門的下沉剛度較差。由應(yīng)力云圖可知,引起殘余變形的主要原因是車身前門鉸鏈安裝位置的塑性變形。
結(jié)合車門的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求,考慮到車門前端的剛度要大于后端的剛度,從而確定計算車門扭轉(zhuǎn)剛度的約束和加載方式:約束方式均為車門鉸鏈處,Dx=0、Dy=0、Dz=0,Rx=0、Ry=0;門鎖處,Dx=0、Dy=0,Dz=0;加載方式為:
圖3 車門加載點位移
圖4 車門鉸鏈安裝位置應(yīng)力云圖
工況1:在車門內(nèi)板右上角施加大小為183 N的Y向節(jié)點力;
工況2:在車門內(nèi)板右下角施加大小為183 N的Y向節(jié)點力。
兩種工況的Y向位移云圖如圖5所示,Y向位移分別為6.32 mm和0.82 mm,由工況1、2下的最大位移量計算,得到扭轉(zhuǎn)剛度分別為29 N/mm和223 N/mm。
圖5 兩種工況下Y向位移云圖
在車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,車門剛度是車門設(shè)計的重要性能參數(shù)之一,是車門性能的主要評價指標(biāo)。車門的結(jié)構(gòu)性能要求除了要有必要的開度、密封性、工藝性好外,最重要的是要安全可靠,滿足剛度、強(qiáng)度以及小的振動性能的要求。本文利用有限元方法,對某款SUV前車門的靜態(tài)剛度進(jìn)行了分析計算,發(fā)現(xiàn)該車門在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在缺陷,這對車門今后的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。
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