彭美青,孫念芬,鄧磊
(1.江鈴汽車股份有限公司,江西南昌 330052; 2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室,江西南昌 330052)
汽車車門由門外板、門內(nèi)板、門窗框、門玻璃導(dǎo)槽、門鉸鏈、門鎖及門窗附件等組成,是汽車車身重要且相對獨立的部件,通過鉸鏈與車身連接來實現(xiàn)開啟和關(guān)閉[1]。
作為一個綜合性的轉(zhuǎn)動部件,車門和駕駛室一起形成乘員的生存空間,當(dāng)車門閉合時,應(yīng)具有良好的振動特性、足夠的強度和剛度、耐沖擊性能以及側(cè)碰時的抗碰撞特性。傳統(tǒng)設(shè)計車門的方法,通常是在樣車階段對車門剛度進行反復(fù)多次的試驗,這樣會大大增加開發(fā)成本和周期。隨著有限元的發(fā)展,在汽車開發(fā)初期對車門進行剛度仿真分析,對車門的設(shè)計及優(yōu)化提供有效指導(dǎo)意見,提高開發(fā)效率[2]。本文作者以某SUV車型后門為例,在項目早期對車門進行側(cè)向窗框剛度分析,并對不合格的設(shè)計進行優(yōu)化,在項目中期車門樣件出來后,進行實驗驗證,使車門達到目標要求,從而降低開發(fā)成本、縮短車門開發(fā)周期。
車門剛度是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力,用對車門施加載荷與車門承受該載荷后產(chǎn)生的變形之間的關(guān)系來表示車門剛度。
汽車車門系統(tǒng)作為用戶經(jīng)常使用、接觸的部件,需具有足夠的剛度以滿足用戶對使用性能、外觀及噪聲的要求,且車門的品質(zhì)在一定程度上反映了造車水平。車門側(cè)向窗框作為衡量車門品質(zhì)的一項重要指標,若剛度不足,會導(dǎo)致變形,影響外觀間隙平度;而變形過大,則會影響密封條的密封性,造成噪聲加大和高速振響問題。
本文作者利用HyperMesh12.0建立與實車結(jié)構(gòu)一致的后門有限元模型,見圖1。該有限元模型包括后門鈑金件和門鉸鏈。
以某SUV后門為例,在車門后角點進行加載,如圖2所示。分析邊界條件:在整車坐標系下,門鉸鏈處約束123456,門鎖處約束23。載荷步一:考慮自重(方向垂直于窗框密封面);載荷步二:后角點施加垂直于窗框密封面的載荷180 N;載荷步三:持續(xù)加載到360 N;載荷步四:移除外載荷。
該分析項為非線性分析,采用ABAQUS進行計算分析[3],利用HyperView后處理查看側(cè)向剛度的位移云圖,記錄加載點在各載荷步下的Y向位移值。圖3是各載荷下的Y向位移值。
圖2 約束和加載狀態(tài)
圖3 各載荷下的Y向位移(原方案)
分析結(jié)果如表1所示,載荷為180 N時的Y向變形為6.836 mm,不滿足CAE目標值;移除外載荷的殘余變形為0.94 mm,滿足目標值。
表1 分析結(jié)果和目標值的對照(原方案) mm
從分析結(jié)果可以看出:載荷為180 N時的剛度值不滿足要求,需要進行優(yōu)化分析。如圖4所示,加載180 N的應(yīng)變云圖顯示,最大應(yīng)變主要集中在門鎖加強板處,說明該處結(jié)構(gòu)相對比較薄弱,對側(cè)向窗框剛度的影響較大。
針對以上描述,如要提高Y向剛度,需提高門鎖加強板在Y向的剛度,因此對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。優(yōu)化前,門鎖加強板板厚1 mm,且與門內(nèi)板間的2層焊有5個焊點。優(yōu)化后,在門鎖加強板上單獨增加一塊鈑金,材料為B340/590DP,厚度為1 mm,與內(nèi)板的焊接采用3層焊,且焊接區(qū)域分布10個焊點,如圖5所示。
上述優(yōu)化方案相當(dāng)于增加了門鎖加強板的局部厚度,使其在Y向強度增加,能很好地提高側(cè)向窗框剛度,且在運輸過程中窗框不易發(fā)生變形,保證了產(chǎn)品的可靠性[4];與內(nèi)板的焊接區(qū)域,新增5個焊點,也有利于Y向剛度的提升,進一步保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。經(jīng)量產(chǎn)化工程師評估,該方案的工程化具有可行性。
圖4 優(yōu)化前應(yīng)變云圖
圖5 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)示意
將優(yōu)化方案進行網(wǎng)格更新,利用HyperMesh前處理進行約束和加載,采用ABAQUS進行非線性計算分析,在后處理軟件HyperView中查看側(cè)向剛度的位移云圖,記錄相應(yīng)載荷步下加載點的Y向位移值,如圖6所示。
圖6 各載荷下的Y向位移(優(yōu)化方案)
優(yōu)化后分析結(jié)果如表2所示,載荷為180 N時的Y向變形為5.452 mm,移除外載荷的殘余變形為0.708 mm,均滿足CAE目標值。
表2 分析結(jié)果和目標值的對照(優(yōu)化方案) mm
基于優(yōu)化CAE分析結(jié)果,制作樣件3個,分別標記為1號、2號、3號,利用工裝和夾具對后門進行相應(yīng)的約束,采用重量塊進行多次加載,測量位移的設(shè)備是千分表。圖7為某SUV后門側(cè)向窗框剛度試驗現(xiàn)場。
圖7 某SUV后門側(cè)向窗框剛度試驗現(xiàn)場
根據(jù)CAE的工況載荷步,載荷加載到360 N,分10次加載得到下面試驗結(jié)果,如表3所示。
表3 優(yōu)化方案側(cè)向窗框剛度試驗表
根據(jù)優(yōu)化后的測試結(jié)果和CAE分析結(jié)果,輸出相應(yīng)的曲線進行對比,如圖8所示:測試曲線和CAE分析曲線相比,趨勢基本一致,誤差在5%以內(nèi),在誤差可接受范圍,因此對標狀態(tài)良好[5]。
圖8 加載點力-位移曲線(后門靠近C柱角點加載)
對比分析結(jié)果,如表4所示,測試值滿足目標值,說明該優(yōu)化方案可以運用到量產(chǎn)化中。
表4 仿真分析與測試的對比結(jié)果 mm
門的側(cè)向窗框剛度在一定程度上會影響門的品質(zhì)。通過CAE分析得到結(jié)果,若不滿足CAE目標值,可以查看應(yīng)變分布,找到剛度薄弱處,并對該處進行有效的優(yōu)化。按優(yōu)化方案制作樣件,在實車上進行測試驗證,驗證通過,說明該方案可以運用于量產(chǎn),有效縮短車門開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、保證設(shè)計質(zhì)量。