陳浩浩,楊家宇

(東風(fēng)柳州汽車有限公司PV技術(shù)中心，廣西柳州 545005)

車門帶線剛度的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳浩浩,楊家宇

(東風(fēng)柳州汽車有限公司PV技術(shù)中心，廣西柳州 545005)

借助于CAE前、后處理軟件HyperMesh & HyperView及Nastran軟件，對(duì)國(guó)產(chǎn)某車型的窗框帶線剛度進(jìn)行分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)。通過優(yōu)化窗框的結(jié)構(gòu)，提升了帶線剛度的CAE分析值。通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，前車門帶線剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

帶線剛度；有限元仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量越來(lái)越高。車門作為汽車的一個(gè)重要總成，其品質(zhì)在一定程度上反映一家主機(jī)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(fù)升降過程中與內(nèi)外板帶線區(qū)域產(chǎn)生相互作用力，產(chǎn)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(zhì)的一項(xiàng)指標(biāo)，會(huì)影響玻璃升降的平順性、密封性等，且在一定程度上會(huì)影響整車的NVH。帶線剛度分為兩個(gè)工況：內(nèi)板帶線剛度和外板帶線剛度，分別考察內(nèi)、外板帶線處結(jié)構(gòu)的Y向剛度，圖1為車門帶線剛度工況示意圖。一般的，主機(jī)廠在樣車階段會(huì)進(jìn)行車門剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證車門剛度是否滿足要求，但是如果在樣車階段驗(yàn)證不合格，改動(dòng)成本將很大。因此在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的初期，必須對(duì)車門的剛度進(jìn)行CAE仿真分析，并對(duì)不合格的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到性能目標(biāo)。

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(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過CAE分析計(jì)算，整改后的帶線剛度值可滿足目標(biāo)值要求。

1 車門帶線剛度的影響因素

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

圖2 車門窗框加強(qiáng)板的布置圖

2 某車型優(yōu)化前的CAE分析結(jié)果

通過HyperMesh 軟件建立有限元模型，調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)零件賦予材料、厚度、屬性，進(jìn)行車門焊接、涂膠、零件接觸控制卡片設(shè)置。通過Nastran軟件計(jì)算，最后在HyperView 軟件[2]中查看分析結(jié)果。 模擬車門帶線剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jié)果，作者記錄了加載點(diǎn)的最大Y向位移。圖4為車門內(nèi)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(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比表。

圖4 車門內(nèi)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(diǎn)Y向位移/mm位移標(biāo)準(zhǔn)/mm前車門內(nèi)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(duì)比CAE分析結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)板帶線剛度優(yōu)化

從CAE分析結(jié)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(nèi)板窗框加強(qiáng)板只有270 mm長(zhǎng)，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(jìn)前的內(nèi)板窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)圖。

圖6 改進(jìn)前的內(nèi)板窗框加強(qiáng)板

針對(duì)上述內(nèi)板帶線剛度弱的問題，對(duì)車門內(nèi)板窗框加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：

原方案：前車門內(nèi)板窗框加強(qiáng)板的長(zhǎng)度為270 mm。

改進(jìn)方案：前車門內(nèi)板窗框加強(qiáng)板長(zhǎng)度加長(zhǎng)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(gè)封閉式的窗框總成結(jié)構(gòu)，如圖7所示。焊接區(qū)域1有6個(gè)點(diǎn)焊焊點(diǎn)，一條長(zhǎng)為12 mm的二保焊。焊接區(qū)域2有4條長(zhǎng)為15 mm的二保焊。

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

圖7為改進(jìn)后的車門內(nèi)板窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)圖。

圖7 改進(jìn)后的內(nèi)板窗框加強(qiáng)板

3.2 前車門外板帶線剛度優(yōu)化

接下來(lái)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(qiáng)板。從CAE結(jié)果看，前車門外板的帶線剛度不滿足要求。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)該車型前車門外板加強(qiáng)板與內(nèi)板只有兩處焊點(diǎn)，其中焊接區(qū)域1只有1個(gè)點(diǎn)焊焊點(diǎn)，結(jié)構(gòu)偏弱。圖8為改進(jìn)前的外板窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)。

針對(duì)上述外板帶線剛度弱的問題，對(duì)車門外板窗框加強(qiáng)板進(jìn)行了優(yōu)化：

原方案：前車門外板窗框加強(qiáng)板的長(zhǎng)度材質(zhì)為DC03，料厚為0.7 mm。

改進(jìn)方案：材質(zhì)改為B210P1,料厚不變化。焊接區(qū)域1由1個(gè)點(diǎn)焊焊點(diǎn)增加為2個(gè)點(diǎn)焊焊點(diǎn)，前車門外板窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)更改。同時(shí)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(jìn)后的外板窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)圖。

圖9 改進(jìn)后的外板窗框加強(qiáng)板

4 改進(jìn)后的CAE分析驗(yàn)證

將優(yōu)化后的窗框進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，在HyperMesh中添加相應(yīng)的約束和接觸，完成Nastran計(jì)算后，在HyperView中得到分析結(jié)果。圖10為優(yōu)化后的車門內(nèi)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(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比如表2所示。

圖10 優(yōu)化后車門內(nèi)板帶線剛度位移云圖

工況加載載荷/N加載點(diǎn)Y向位移/mm標(biāo)準(zhǔn)/mm內(nèi)板帶線剛度800.45≤0.8外板帶線剛度800.72≤0.8

將表2中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成剛度值：前門內(nèi)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(jié)果均滿足要求。

5 改進(jìn)后的實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于CAE分析結(jié)果，該車型樣車出來(lái)后進(jìn)行了帶線剛度實(shí)驗(yàn)，測(cè)試用的設(shè)備有數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖。

圖12 某前車門剛度實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，表3為車門內(nèi)板帶線剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，表4為車門外板帶線剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，圖13為內(nèi)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(nèi)板帶線剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果(加載載荷：80 N；加載方式：分10次加載)

圖13 內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表5 剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一般的車門剛度實(shí)驗(yàn)要求其結(jié)果大于75 N/mm即可，所以以上某車型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

表6為仿真結(jié)果與剛度實(shí)驗(yàn)的對(duì)比。

對(duì)比以上結(jié)果可知：CAE仿真分析與剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差在10%以內(nèi)，兩者結(jié)果比較接近。而CAE仿真分析結(jié)果的剛度值偏大，造成此問題的原因是：CAE仿真在分析時(shí)沒有考慮材料的拉延、焊點(diǎn)可靠性等因素。且試驗(yàn)本身由于器材和環(huán)境等因素不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差。

表6 仿真結(jié)果與剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在新項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，CAE仿真十分必要，能在項(xiàng)目的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段將問題反映出來(lái)，而剛度試驗(yàn)需要在樣車試制出來(lái)后才能實(shí)施。由于CAE仿真的計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值偏大，因此制定CAE仿真的目標(biāo)值時(shí)，一般都設(shè)計(jì)得比剛度實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值偏大。

6 結(jié)論

車門的帶線剛度會(huì)影響車門的品質(zhì)。運(yùn)用Altair的HyperMesh & HyperView及Nastran軟件對(duì)車門剛度進(jìn)行模擬分析，得到分析結(jié)果，若不滿足要求，可以通過優(yōu)化材料材質(zhì)、改善焊接方式、強(qiáng)化車門窗框內(nèi)外板的結(jié)構(gòu)提升車門帶線剛度值，同時(shí)實(shí)車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作為最終的判定方式也是必不可少的。

【1】成艾國(guó).汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)方法與流程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

【2】HyperWorks使用手冊(cè)[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(xué)士，助理工程師，從事開閉件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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