陳浩浩,楊家宇

(東風柳州汽車有限公司PV技術中心，廣西柳州 545005)

車門帶線剛度的分析和結構優(yōu)化

陳浩浩,楊家宇

(東風柳州汽車有限公司PV技術中心，廣西柳州 545005)

借助于CAE前、后處理軟件HyperMesh & HyperView及Nastran軟件，對國產某車型的窗框帶線剛度進行分析，得到相關數據。通過優(yōu)化窗框的結構，提升了帶線剛度的CAE分析值。通過實車實驗驗證，前車門帶線剛度滿足設計要求。

帶線剛度；有限元仿真；結構優(yōu)化；實驗驗證

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量越來越高。車門作為汽車的一個重要總成，其品質在一定程度上反映一家主機廠的造車水平。車門帶線位置即窗沿區(qū)域。由于玻璃在反復升降過程中與內外板帶線區(qū)域產生相互作用力，產生輕微的相互擠壓碰撞等，因此帶線剛度作為衡量車門品質的一項指標，會影響玻璃升降的平順性、密封性等，且在一定程度上會影響整車的NVH。帶線剛度分為兩個工況：內板帶線剛度和外板帶線剛度，分別考察內、外板帶線處結構的Y向剛度，圖1為車門帶線剛度工況示意圖。一般的，主機廠在樣車階段會進行車門剛度測試實驗，以驗證車門剛度是否滿足要求，但是如果在樣車階段驗證不合格，改動成本將很大。因此在汽車設計開發(fā)的初期，必須對車門的剛度進行CAE仿真分析，并對不合格的結構進行優(yōu)化，從而達到性能目標。

圖1 車門帶線剛度工況

文中分析了影響車門帶線剛度的因素，確定了提高帶線剛度的整改方向，完成公司某車型前車門帶線剛度的結構優(yōu)化，通過CAE分析計算，整改后的帶線剛度值可滿足目標值要求。

1 車門帶線剛度的影響因素

一般來說，為了滿足車門帶線剛度的要求，一般會在車門窗沿區(qū)域處增加加強板。窗框加強板能很好地提升車門的帶線剛度。車門窗框加強板一般分為外板窗框加強板和內板窗框加強板，分別對車門外板和車門內板起到加強作用，提升車門的帶線剛度。圖2為某車型的車門窗框加強板的布置和結構。

圖2 車門窗框加強板的布置圖

2 某車型優(yōu)化前的CAE分析結果

通過HyperMesh 軟件建立有限元模型，調整網格質量，對零件賦予材料、厚度、屬性，進行車門焊接、涂膠、零件接觸控制卡片設置。通過Nastran軟件計算，最后在HyperView 軟件[2]中查看分析結果。 模擬車門帶線剛度測試實驗進行加載，如圖3所示。

圖3 車門帶線剛度加載示意圖

從HyperView中可以看出前門帶線剛度的位移云圖。為具體量化分析結果，作者記錄了加載點的最大Y向位移。圖4為車門內板帶線剛度位移云圖，圖5為車門外板帶線剛度位移云圖，表1為CAE分析的結果和標準值對比表。

圖4 車門內板帶線剛度位移云圖

圖5 車門外板帶線剛度位移云圖

工況加載載荷/N加載點Y向位移/mm位移標準/mm前車門內板帶線剛度801.7≤0.8前車門外板帶線剛度801.432≤0.8

通過對比CAE分析結果和標準可知，該車型優(yōu)化前的帶線剛度不滿足要求。

3 原因分析及優(yōu)化方案

3.1 前車門內板帶線剛度優(yōu)化

從CAE分析結果看，車門的窗框帶線剛度不滿足要求。作者先分析前車門剛度，發(fā)現(xiàn)內板窗框加強板只有270 mm長，且沒有跟窗框的兩端連接在一起，搭接方式不合理。圖6為某車門改進前的內板窗框加強板的結構圖。

圖6 改進前的內板窗框加強板

針對上述內板帶線剛度弱的問題，對車門內板窗框加強板結構進行了優(yōu)化：

原方案：前車門內板窗框加強板的長度為270 mm。

改進方案：前車門內板窗框加強板長度加長至750 mm，且分別與窗框總成的后視鏡安裝板以及窗框B柱焊接，形成一個封閉式的窗框總成結構，如圖7所示。焊接區(qū)域1有6個點焊焊點，一條長為12 mm的二保焊。焊接區(qū)域2有4條長為15 mm的二保焊。

此種改進方案，使窗框形成一個封閉的焊接總成結構，能很好地提升窗框的整體剛度，也使得窗框在物流運輸過程中不易發(fā)生變形，保證了產品的穩(wěn)定性。同時在窗框總成與門內板焊接時，能利用前車門內板窗框加強板上的定位孔作為窗框總成的焊接定位孔，提升了產品的焊接工藝性。

圖7為改進后的車門內板窗框加強板的結構圖。

圖7 改進后的內板窗框加強板

3.2 前車門外板帶線剛度優(yōu)化

接下來分析前車門外板的帶線剛度。影響外板帶線剛度的主要是車門外板窗框加強板。從CAE結果看，前車門外板的帶線剛度不滿足要求。經過分析，發(fā)現(xiàn)該車型前車門外板加強板與內板只有兩處焊點，其中焊接區(qū)域1只有1個點焊焊點，結構偏弱。圖8為改進前的外板窗框加強板的結構。

針對上述外板帶線剛度弱的問題，對車門外板窗框加強板進行了優(yōu)化：

原方案：前車門外板窗框加強板的長度材質為DC03，料厚為0.7 mm。

改進方案：材質改為B210P1,料厚不變化。焊接區(qū)域1由1個點焊焊點增加為2個點焊焊點，前車門外板窗框加強板的結構作相應更改。同時增加一處與后視鏡安裝板的焊接區(qū)域，即如圖9所示的焊接區(qū)域3。

圖9為改進后的外板窗框加強板的結構圖。

圖9 改進后的外板窗框加強板

4 改進后的CAE分析驗證

將優(yōu)化后的窗框進行CAE分析驗證，在HyperMesh中添加相應的約束和接觸，完成Nastran計算后，在HyperView中得到分析結果。圖10為優(yōu)化后的車門內板帶線剛度位移云圖，圖11為優(yōu)化后車門外板帶線剛度位移云圖，優(yōu)化后車門的CAE結果和標準值對比如表2所示。

圖10 優(yōu)化后車門內板帶線剛度位移云圖

工況加載載荷/N加載點Y向位移/mm標準/mm內板帶線剛度800.45≤0.8外板帶線剛度800.72≤0.8

將表2中數據轉化成剛度值：前門內板帶線剛度K1=80 N/0.45 mm=177.8 N/mm，前門外板帶線剛度K2=80 N/0.72 mm=111.1 N/mm。以上CAE分析結果均滿足要求。

5 改進后的實車實驗驗證

基于CAE分析結果，該車型樣車出來后進行了帶線剛度實驗，測試用的設備有數據采集設備、力傳感器、位移傳感器、加載系統(tǒng)等。圖12為前車門剛度實驗簡圖。

圖12 某前車門剛度實驗簡圖

按照CAE的加載工況，加載載荷為80 N，分10次加載得到如下實驗結果，表3為車門內板帶線剛度實驗結果統(tǒng)計表，表4為車門外板帶線剛度實驗結果統(tǒng)計表，圖13為內板帶線剛度線性回歸圖，圖14為外板帶線剛度線性回歸圖。

表3 車門內板帶線剛度實驗結果(加載載荷：80 N；加載方式：分10次加載)

表4 車門外板帶線剛度實驗結果(加載載荷：80 N；加載方式：分10次加載)

圖13 內板帶線剛度線性回歸圖

圖14 外板帶線剛度線性回歸圖

基于線性回歸的理論，可以得出表5的剛度實驗結果。

表5 剛度實驗結果

一般的車門剛度實驗要求其結果大于75 N/mm即可，所以以上某車型的實驗結果均滿足要求。

表6為仿真結果與剛度實驗的對比。

對比以上結果可知：CAE仿真分析與剛度實驗結果偏差在10%以內，兩者結果比較接近。而CAE仿真分析結果的剛度值偏大，造成此問題的原因是：CAE仿真在分析時沒有考慮材料的拉延、焊點可靠性等因素。且試驗本身由于器材和環(huán)境等因素不可避免會產生誤差。

表6 仿真結果與剛度實驗結果對比

在新項目開發(fā)時，CAE仿真十分必要，能在項目的數據設計階段將問題反映出來，而剛度試驗需要在樣車試制出來后才能實施。由于CAE仿真的計算結果比實驗值偏大，因此制定CAE仿真的目標值時，一般都設計得比剛度實驗目標值偏大。

6 結論

車門的帶線剛度會影響車門的品質。運用Altair的HyperMesh & HyperView及Nastran軟件對車門剛度進行模擬分析，得到分析結果，若不滿足要求，可以通過優(yōu)化材料材質、改善焊接方式、強化車門窗框內外板的結構提升車門帶線剛度值，同時實車實驗驗證作為最終的判定方式也是必不可少的。

【1】成艾國.汽車車身先進設計方法與流程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

【2】HyperWorks使用手冊[M].

Stiffness Analysis and Structure Optimization for a Door’s Beltline

CHEN Haohao, YANG Jiayu

(PV R & D Technology Center, Dongfeng Liuzhou Automobile Co.，Ltd., Liuzhou Guangxi 545005,China)

Aiming at the problem of beltline stiffness,the door finite element model was established by software Altair HypermMesh,and the simulation was analyzed by Nastran software.The related data were carried on.In order to strengthen beltline stiffness,the optimal scheme was found and the effective instruction of the window frame was provided. The beltline stiffness of the front door got through the experimental verification.So the requirements of beltline stiffness are met.

Beltline stiffness; FEM simulation;Structure optimization;Experimental verification

2016-12-02

陳浩浩(1986—)，男，學士，助理工程師，從事開閉件系統(tǒng)設計開發(fā)工作。E-mail:chenhh@dflzm.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.009

U463.83+4

A

1674-1986(2017)02-035-04