胡建鋒，王 鑫，杜保華，金云光，田 亮，歐陽(yáng)明，高 凱，武 韓

（江淮汽車(chē)技術(shù)中心，合肥 230009）

前言

汽車(chē)側(cè)門(mén)系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)涉及諸多零部件的結(jié)構(gòu)及相關(guān)屬性，在確保汽車(chē)側(cè)門(mén)系統(tǒng)安全性的同時(shí)，還必須滿(mǎn)足使用者操作舒適性需要。隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)汽車(chē)的各項(xiàng)要求也同時(shí)提高。早期在設(shè)計(jì)側(cè)門(mén)時(shí)，側(cè)門(mén)開(kāi)閉過(guò)程各擋位操作力僅須滿(mǎn)足汽車(chē)側(cè)門(mén)開(kāi)閉的基本要求，它主要取決于限位器結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、側(cè)門(mén)質(zhì)量和鉸鏈軸傾角等特性，但近年來(lái)，隨著關(guān)門(mén)能量逐漸被引用于側(cè)門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，汽車(chē)側(cè)門(mén)系統(tǒng)力學(xué)特性涉及的零部件及其結(jié)構(gòu)將大大增加，如座艙有效空間、排氣閥截面積、側(cè)門(mén)側(cè)窗面積、各種密封膠條結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性、鎖機(jī)構(gòu)及其力學(xué)特性和側(cè)門(mén)迎風(fēng)面積等，涉及的學(xué)科和計(jì)算難度因此都將大大增加。

基于這樣一個(gè)龐大計(jì)算系統(tǒng)和諸多的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)：如何建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件？如何將設(shè)計(jì)中預(yù)置的參數(shù)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)指定位置？如何按照不同結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立實(shí)際計(jì)算文件？如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算文件設(shè)計(jì)參數(shù)輸入內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)參數(shù)的快捷讀??？如何按照設(shè)計(jì)目標(biāo)要求自動(dòng)完成最佳設(shè)計(jì)方案的搜尋？如何快捷實(shí)現(xiàn)最小關(guān)門(mén)能量的自動(dòng)計(jì)算及各個(gè)部件能耗分布？等等，本文中將對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 建立側(cè)門(mén)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)

1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)文件存儲(chǔ)位置規(guī)劃

汽車(chē)側(cè)門(mén)系統(tǒng)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，涉及計(jì)算參數(shù)數(shù)以千計(jì)，這么大的設(shè)計(jì)輸入量若直接在計(jì)算文件中進(jìn)行，不僅增加計(jì)算輸入錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，也不利于設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算管理和各項(xiàng)目應(yīng)用傳承。因此，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)文件存儲(chǔ)位置進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)置不同的工作表作為各個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)的集中存儲(chǔ)，新項(xiàng)目的預(yù)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“新建”中，新建項(xiàng)目從開(kāi)始新建到項(xiàng)目完成，設(shè)計(jì)的預(yù)置參數(shù)可能都在不停更新，譬如：側(cè)門(mén)質(zhì)量和質(zhì)量中心的更新，其計(jì)算也將隨時(shí)進(jìn)行，這符合正向設(shè)計(jì)要求，當(dāng)一個(gè)新的項(xiàng)目通過(guò)不停地修訂直至最終固化，也預(yù)示著一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)束，“新建”項(xiàng)目將轉(zhuǎn)為正式存儲(chǔ)項(xiàng)目，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)規(guī)劃（局部）

1.2 大量點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的提取與存儲(chǔ)

汽車(chē)側(cè)門(mén)系統(tǒng)的布置參數(shù)源于側(cè)門(mén)系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如限位器臂桿結(jié)構(gòu)決定其開(kāi)閉過(guò)程中過(guò)擋力的大小和過(guò)程耗能的大小，側(cè)門(mén)輪廓、門(mén)洞條輪廓、門(mén)框條輪廓和排氣閥輪廓決定關(guān)門(mén)過(guò)程氣體流動(dòng)阻力耗能的大小，這些決定相關(guān)開(kāi)關(guān)門(mén)特性的位置坐標(biāo)是計(jì)算的依據(jù)，因此需要將它們匯總到一起，按照結(jié)構(gòu)位置予以存儲(chǔ)，等候調(diào)用。

環(huán)形軌跡線(xiàn)數(shù)據(jù)的提取方法：通過(guò)已知的環(huán)形軌跡線(xiàn)及其中心位置點(diǎn)，首先由中心位置點(diǎn)分別沿Y向和Z向拉伸至足夠大的平面，該平面與環(huán)形軌跡線(xiàn)只有一個(gè)交點(diǎn)，再在360°范圍內(nèi)圓形矩陣該平面，角度間距參數(shù)設(shè)為θ（θ＝1°，0.1°，0.01°，可調(diào)）使矩陣面與環(huán)形軌跡線(xiàn)交點(diǎn)另存成*.igs格式的文件，再利用CATIA中Digitized Shape Editor模塊將剛另存的igs格式轉(zhuǎn)化為Ascii free的asc點(diǎn)坐標(biāo)的文本文件，最后導(dǎo)出至數(shù)據(jù)庫(kù)中指定位置，完成從3D具體點(diǎn)到具體點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。基于CATIA平臺(tái)，利用VBA語(yǔ)言，將這個(gè)過(guò)程編制成固定的環(huán)形軌跡點(diǎn)自動(dòng)提取軟件，面對(duì)任意的環(huán)形軌跡線(xiàn)及其中心位置點(diǎn)兩個(gè)參量，點(diǎn)擊自動(dòng)提取軟件按鈕，瞬間完成提取過(guò)程，如圖2所示。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)點(diǎn)的自動(dòng)提取

1.3 存入的計(jì)算參數(shù)正確性校核

上述大批量數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)后，還需要對(duì)個(gè)別設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行錄入，涉及計(jì)算參數(shù)的完整和正確，通常情況下通過(guò)存入的數(shù)據(jù)不能有效識(shí)別其正確性與否，數(shù)據(jù)庫(kù)中增加了一個(gè)“數(shù)據(jù)輸出”模塊，點(diǎn)擊說(shuō)明書(shū)可了解其具體功能，選擇須導(dǎo)出的項(xiàng)目，選擇須導(dǎo)出是前門(mén)還是后門(mén)，點(diǎn)擊“讀取項(xiàng)目數(shù)據(jù)并導(dǎo)出”按鈕，模塊迅速讀取指定的區(qū)域數(shù)據(jù)，并迅速打開(kāi)CATIA，并在其中新建一個(gè)“part”并把所有坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入其中，將這個(gè)“part”裝入原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可以清晰地檢查是否存在輸入錯(cuò)誤。主要操作界面如圖3所示，校對(duì)內(nèi)容如圖4所示。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以共享其他計(jì)算

涉及側(cè)門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算文件內(nèi)容很多，如：側(cè)門(mén)鎖機(jī)構(gòu)耐碰撞能力的計(jì)算、側(cè)門(mén)玻璃升降系統(tǒng)的布置計(jì)算等，均可共享此數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)導(dǎo)出至3D模塊（局部）

圖4 導(dǎo)出數(shù)據(jù)與實(shí)際3D數(shù)據(jù)校對(duì)（局部）

2 計(jì)算文件和數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)聯(lián)

本計(jì)算模型的重點(diǎn)內(nèi)容是關(guān)門(mén)能量的計(jì)算分析，從正向設(shè)計(jì)角度，將側(cè)門(mén)開(kāi)閉過(guò)程操作力和關(guān)門(mén)過(guò)程最小能耗兩種考核指標(biāo)相結(jié)合的設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程，以下將著重?cái)⑹鲇嘘P(guān)關(guān)門(mén)能量中氣阻能耗和膠條壓縮能耗的計(jì)算應(yīng)用，其它內(nèi)容請(qǐng)參考以往文獻(xiàn)［1］。

計(jì)算文件共設(shè)置輸入內(nèi)容、計(jì)算過(guò)程、方案優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫(kù)（限位器結(jié)構(gòu)）、鎖能量、計(jì)算輸入和結(jié)果（側(cè)門(mén)及膠條結(jié)構(gòu)）、關(guān)門(mén)能量分析、數(shù)據(jù)輸出等幾個(gè)計(jì)算模塊，如圖5所示。

圖5 信息輸入內(nèi)容

基本信息輸入說(shuō)明：點(diǎn)擊“輸入內(nèi)容”進(jìn)入基本信息輸入模塊，如圖5所示，左上部包含有“項(xiàng)目車(chē)型”“計(jì)算對(duì)象”“擋位名稱(chēng)”等須選擇輸入，它是基本信息輸入，以后的讀入數(shù)據(jù)庫(kù)信息以及計(jì)算判斷都將基于此展開(kāi)計(jì)算。

綠色按鈕控制著“操作提示內(nèi)容”，初學(xué)者可以通過(guò)對(duì)這些按鈕的操作，獲取操作方法方面的指導(dǎo)，白色按鈕是“自動(dòng)操作按鈕”，點(diǎn)擊它將自動(dòng)完成一個(gè)過(guò)程的計(jì)算，譬如點(diǎn)擊“進(jìn)入計(jì)算”按鈕，便立即進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將依據(jù)基本信息的定義，將數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)迅速讀入至計(jì)算文件中，完成計(jì)算模型的創(chuàng)建。

3 計(jì)算過(guò)程計(jì)算模塊分析

基于計(jì)算拓展的需要，關(guān)門(mén)能耗主要由以下14項(xiàng)內(nèi)容構(gòu)成［2］：

（1）開(kāi)始點(diǎn)到閉合點(diǎn)側(cè)門(mén)重力勢(shì)能；

（2）鉸鏈旋轉(zhuǎn)阻力矩耗能；

（3）鎖合過(guò)程鎖舌運(yùn)動(dòng)阻力耗能；

（4）限位器彈性體釋放勢(shì)能；

（5）限位器滑塊摩擦阻力耗能；

（6）限位器臂桿旋轉(zhuǎn)摩擦耗能；

（7）門(mén)洞膠條氣阻耗能；

（8）門(mén)洞膠條壓縮耗能；

（9）門(mén)框膠條氣阻耗能；

（10）門(mén)框膠條壓縮耗能；

（11）門(mén)洞膠條和門(mén)框膠條間氣阻耗能；

（12）側(cè)門(mén)風(fēng)阻耗能；

（13）座艙氣阻耗能；

（14）關(guān)門(mén)過(guò)程施加的閉合動(dòng)能。

涉及一般摩擦力、重力等能耗，在原有的計(jì)算中增加能量計(jì)算部分即可完成，但涉及空氣流體力學(xué)和膠條載荷能耗則必須新建計(jì)算模塊，以下是比較典型的模型計(jì)算分析。

3.1 座艙氣阻耗能［3］

座艙氣阻耗能模型如圖6所示，圖中：由序號(hào)3、9組成當(dāng)前的壓力空間；由序號(hào)4、6、7組成當(dāng)前的泄壓孔面積（其中7表示可根據(jù)需要決定是否選擇）；由序號(hào)5組成當(dāng)前上一階段新增的空氣體積。在整車(chē)任意側(cè)門(mén)關(guān)閉過(guò)程，側(cè)門(mén)門(mén)洞膠條的迎風(fēng)面積、側(cè)門(mén)門(mén)洞膠條的迎風(fēng)面積掃過(guò)的空間、座艙有效空間、泄壓閥截面積、可選擇開(kāi)閉的其它側(cè)門(mén)或側(cè)窗玻璃面積、側(cè)門(mén)門(mén)洞膠條的迎風(fēng)面輪廓開(kāi)啟過(guò)程開(kāi)放面積組成一個(gè)計(jì)算模型。

圖7為根據(jù)圖6結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化的理想模型。由圖可知，當(dāng)活塞以某一速度進(jìn)行壓縮行程時(shí)，部分空氣從小孔排氣，隨著壓縮速度的增加，一部分氣體來(lái)不及排出，使當(dāng)前內(nèi)壓增加并阻止活塞運(yùn)行。不考慮活塞管壁的摩擦力，當(dāng)活塞運(yùn)行行程為l且運(yùn)行時(shí)間為t時(shí)的阻力所做的功如式（1）所示，模型左右兩端所做功是相同的。

壓縮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，空腔內(nèi)所存氣體質(zhì)量須減去漸漸排除的空氣質(zhì)量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，壓縮運(yùn)動(dòng)結(jié)束瞬間的壓力，通過(guò)排氣閥及其他通道向外排除空氣，氣體的流量速度［4］為qm，其單位是kg/s：

式中：S為前后兩種壓縮狀態(tài)下壓力之比，即S＝p2/p1，當(dāng)S處于不同區(qū)間時(shí)執(zhí)行不同的氣體流量速度計(jì)算式計(jì)算；r為絕熱系數(shù)，r＝1.4；A0為排氣閥及其他通道向外排出空氣的面積；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

將式（1）～式（3）轉(zhuǎn)化為具體的計(jì)算內(nèi)容，如圖8所示。首先將關(guān)門(mén)過(guò)程定義為從第一擋限位角度處開(kāi)啟至關(guān)閉0°結(jié)束，計(jì)算系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出第一擋限位處所對(duì)應(yīng)的角度，將這個(gè)關(guān)門(mén)過(guò)程所包含的角度，細(xì)化成若干微分角度，定義每個(gè)微分角度為0.01°，即每隔0.01°計(jì)算一次（可根據(jù)計(jì)算機(jī)能力設(shè)置微分角度，實(shí)際上微分角度越小計(jì)算結(jié)果越精確，但這也是受到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力限制的），如果第一擋限位處對(duì)應(yīng)角度為30.75°，則全部開(kāi)閉過(guò)程的計(jì)算為3 075次，以序號(hào)5為例說(shuō)明其計(jì)算內(nèi)容。

圖6 布置點(diǎn)座艙氣阻耗能

圖7 壓縮活塞小孔排氣過(guò)程模型

圖8 座艙氣阻耗能模型計(jì)算內(nèi)容（局部）

S列對(duì)應(yīng)的“壓入空氣體積”主要內(nèi)容指“上一個(gè)壓入空氣體積”與“上一個(gè)排出氣體體積”之差。

T列對(duì)應(yīng)的“空腔體積”包括“座艙有效空間”和“門(mén)洞膠條迎風(fēng)面累計(jì)壓入的空氣體積”。

U列對(duì)應(yīng)的“內(nèi)外壓縮比”等于“當(dāng)前壓入空氣體積/當(dāng)前空腔體積”。

V列對(duì)應(yīng)的“座艙空氣壓力”等于“當(dāng)前內(nèi)外壓力比×標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”。

W列對(duì)應(yīng)的“座艙壓力增加”等于“當(dāng)前座艙空氣壓力”和“標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”的差值。

X列對(duì)應(yīng)的“內(nèi)部密度”等于“0°標(biāo)壓下空氣密度”ד絕對(duì)溫度K0”ד當(dāng)前座艙空氣壓力”/（“標(biāo)準(zhǔn)氣壓值”ד工作溫度K1”）。

Y列對(duì)應(yīng)的“內(nèi)部密度”等于“0°標(biāo)壓下空氣密度”ד絕對(duì)溫度K0”/“工作溫度K1”。

Z列對(duì)應(yīng)的“排氣速度”等于SQRT（2×（當(dāng)前座艙空氣壓力-標(biāo)準(zhǔn)氣壓值/當(dāng)前空氣外部密度））。

AA列對(duì)應(yīng)的“氣體流量”就是式（3），由于S＜1.001，故選擇式（3）中第一部分公式，其中將側(cè)門(mén)窗的開(kāi)閉狀態(tài)作為可選擇的附加排氣孔內(nèi)容，而側(cè)門(mén)洞開(kāi)啟間隙面積作為始終排氣面積，因此當(dāng)開(kāi)度較大時(shí)，大部分排除空氣均通過(guò)側(cè)門(mén)洞開(kāi)啟間隙排出，只有當(dāng)開(kāi)度較小或門(mén)洞膠條已經(jīng)和門(mén)鈑金全接觸時(shí)，才通過(guò)排氣閥及可選擇的附加排氣孔排出。此處還涉及“門(mén)洞膠條間開(kāi)啟面積”計(jì)算，它是利用門(mén)洞膠條輪廓微分后的相鄰輪廓點(diǎn)，一組固定在0°位置，另一組隨開(kāi)啟過(guò)程移動(dòng)，當(dāng)開(kāi)啟值任意角度時(shí)，通過(guò)角度計(jì)算各移動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)各移動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出兩組相鄰兩點(diǎn)的5條線(xiàn)段長(zhǎng)度，通過(guò)5條線(xiàn)段長(zhǎng)度計(jì)算出兩個(gè)三角形面積，通過(guò)各全部輪廓點(diǎn)計(jì)算出任意角度時(shí)“門(mén)洞膠條間開(kāi)啟面積”，這個(gè)計(jì)算過(guò)程是在輸入結(jié)束后首先進(jìn)行的，目的就是后續(xù)計(jì)算提供累計(jì)計(jì)算的結(jié)果，稱(chēng)為“第一微分計(jì)算”。這個(gè)關(guān)聯(lián)多個(gè)跟側(cè)門(mén)及膠條相關(guān)的累計(jì)參數(shù)，后續(xù)計(jì)算將設(shè)計(jì)此處內(nèi)容。此處內(nèi)容較多，不再贅述。

AB列對(duì)應(yīng)的“排氣氣體質(zhì)量”等于（當(dāng)前的排除空氣流量＋上一個(gè)排除空氣流量）×（當(dāng)前單元對(duì)應(yīng)時(shí)間-上一個(gè)單元對(duì)應(yīng)時(shí)間）/2；相鄰兩個(gè)瞬時(shí)流量平均時(shí)間積累。

由于有座椅、遮陽(yáng)板、各種內(nèi)飾板等附件遮擋，排氣氣流只能通過(guò)其中間隙或設(shè)置在特定位置格柵孔進(jìn)行流動(dòng)，其排氣阻力將大大增加，瞬間排出的空氣質(zhì)量也將大大減小，不同的排氣阻力通道，將對(duì)應(yīng)不同的通道阻力系數(shù)Zx。

AC列對(duì)應(yīng)的“排氣氣體體積”等于“當(dāng)前氣體流量”與“當(dāng)前氣體內(nèi)部密度”比值。

AD列對(duì)應(yīng)的“排氣氣體體積”等于“上一個(gè)座艙氣阻耗能J＋微分角度弧度×當(dāng)前座艙壓力增加量×門(mén)洞膠條迎風(fēng)面積×門(mén)洞迎風(fēng)面質(zhì)心力矩長(zhǎng)度/1000”。

計(jì)算結(jié)束后在AD列最上部呈現(xiàn)整個(gè)過(guò)程累計(jì)耗能數(shù)值。

以上過(guò)程是使用數(shù)值積分原理與循環(huán)迭代方法進(jìn)行的計(jì)算，類(lèi)似計(jì)算將出現(xiàn)多次。

3.2 門(mén)洞膠條壓縮耗能

門(mén)框膠條壓縮耗能計(jì)算與座艙氣阻能耗類(lèi)似，可參照?qǐng)?zhí)行，其模型見(jiàn)圖9和圖10，門(mén)框膠條是按照基本壓力線(xiàn)走向和承壓方向圍成的一個(gè)環(huán)形密封原件，在計(jì)算的文件中已經(jīng)將這個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)壓力線(xiàn)按照一定規(guī)律微分成若干微單元（本計(jì)算分成360個(gè)微單元，可以分得更多），以適應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)確性需要。

圖9 膠條載荷模型

圖10 膠條微分單元模型

通過(guò)相鄰兩點(diǎn)可以計(jì)算其中點(diǎn)；通過(guò)其中點(diǎn)和鉸鏈軸兩點(diǎn)可以計(jì)算出該中點(diǎn)到鉸鏈軸的距離，即該微分段膠條的旋轉(zhuǎn)半徑；通過(guò)相鄰兩點(diǎn)可以計(jì)算微單元膠條長(zhǎng)度；通過(guò)對(duì)相鄰兩點(diǎn)圍繞鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)的計(jì)算可以計(jì)算出任意點(diǎn)旋轉(zhuǎn)后與其處于0°位置的距離，根據(jù)這個(gè)距離可以判定該點(diǎn)是否處于壓縮狀態(tài)，壓縮了多少；在某一關(guān)閉角度下，根據(jù)存儲(chǔ)在固定位置的膠條壓縮載荷信息和計(jì)算獲得的該膠條微單元長(zhǎng)度以及實(shí)際膠條的實(shí)際壓縮量，即可算出微單元的實(shí)際壓縮力，其壓縮力向量由相鄰兩點(diǎn)連線(xiàn)的向量與鉸鏈軸線(xiàn)向量確定，中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)向量與微單元壓縮力向量存在一定角度，將壓縮力轉(zhuǎn)化為實(shí)際的鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，計(jì)算該角度下所有相鄰兩點(diǎn)的壓縮力并分別轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，累加各相鄰兩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)鉸鏈軸旋轉(zhuǎn)力矩，即獲得當(dāng)前的開(kāi)閉微單元角度下整個(gè)膠條的壓縮旋轉(zhuǎn)力矩。依次計(jì)算全部開(kāi)閉微單元角度，獲得各開(kāi)閉微單元角度下的整個(gè)膠條的壓縮旋轉(zhuǎn)力矩。這個(gè)過(guò)程在3.1節(jié)中被名為“第一微分計(jì)算”部分一并計(jì)算完成。

根據(jù)各開(kāi)閉微單元旋轉(zhuǎn)力矩、開(kāi)閉微單元角度累計(jì)計(jì)算出整個(gè)關(guān)門(mén)過(guò)程壓縮膠條所損耗的全部能量。

3.3 門(mén)洞膠條氣阻耗能［5］

門(mén)框膠條氣阻耗能計(jì)算也類(lèi)似，可參照?qǐng)?zhí)行，其模型見(jiàn)圖10和圖11。

圖11 膠條氣阻模型

計(jì)算原理：一定速度壓縮帶小孔泡管，泡管被壓縮體積中一部分空氣通過(guò)小孔排出，一部分被壓縮后，使泡管內(nèi)部壓強(qiáng)升高，每個(gè)微單元泡管的壓力作用在承壓面積上，承壓面中心點(diǎn)是相鄰兩點(diǎn)中心，該點(diǎn)與其在鉸鏈軸上的投影點(diǎn)間的連線(xiàn)構(gòu)成作用力臂，微單元相關(guān)計(jì)算內(nèi)容如下：

式中：nn為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量；mn為當(dāng)前微單元承壓面向量；ωn為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)向量與微單元承壓面向量間的夾角，rad；Ln為當(dāng)前微單元受力作用點(diǎn)旋轉(zhuǎn)力臂；Hn為當(dāng)前微單元承壓線(xiàn)長(zhǎng)度（前段）；Nn為當(dāng)前微單元相鄰兩點(diǎn)長(zhǎng)度；Cn為當(dāng)前微單元面矩（有效承壓面積與力臂之積）；p為整個(gè)膠條泡管在當(dāng)前開(kāi)啟角度下被壓縮瞬間的壓強(qiáng)；An為單個(gè)排氣孔面積；T為排氣孔總數(shù)；A為排氣孔總面積；M為總力矩；Vθ為當(dāng)前開(kāi)閉角度下膠條整體泡管的總體積。

以上Cn和Vθ兩項(xiàng)計(jì)算過(guò)程在3.1節(jié)被名為“第一微分計(jì)算”部分一并計(jì)算完成。門(mén)洞膠條氣阻模型計(jì)算與座艙氣阻耗能相似，其具體內(nèi)容參考圖8結(jié)構(gòu)編制。

3.4 門(mén)洞門(mén)框兩膠條之間空間氣阻耗能

在側(cè)門(mén)完全閉合情況下，門(mén)洞門(mén)框兩膠條之間由側(cè)圍及門(mén)內(nèi)鈑金和內(nèi)護(hù)板圍成的空間，稱(chēng)為門(mén)洞門(mén)框夾縫空間，如圖12所示，這個(gè)空間體積很小，產(chǎn)生阻力能耗的面積也非常小，并且該空間沒(méi)有固定的排氣通道，只能依賴(lài)零部件之間的配合間隙排氣，故排氣效果較差，很容易在閉合瞬間導(dǎo)致氣壓陡升，形成較大的關(guān)門(mén)阻力耗能。該氣阻的計(jì)算過(guò)程也與座艙氣阻耗能相似（見(jiàn)圖9），不再贅述，需要注意的問(wèn)題如下。

圖12 由門(mén)框、門(mén)洞膠條圍成的空間

（1）門(mén)洞門(mén)框夾縫空間體積

門(mén)洞門(mén)框夾縫空間體積相對(duì)固定，實(shí)際測(cè)量比較困難可以預(yù)置其體積約為0.003 4 m3。

（2）門(mén)洞門(mén)框夾縫空間壓入空氣

門(mén)框和門(mén)洞兩膠條迎風(fēng)面交集部分面積是向門(mén)洞門(mén)框夾縫空間壓入空氣的來(lái)源。

（3）門(mén)洞門(mén)框夾縫空間泄漏空氣的面積

門(mén)洞門(mén)框夾縫空間泄漏空氣的面積沒(méi)有明確數(shù)據(jù)，但實(shí)際上是依賴(lài)零部件之間的配合間隙排氣，計(jì)算中預(yù)留了一個(gè)排氣孔面積輸入，可以根據(jù)制造情況定義排氣孔面積。

（4）夾縫空間周?chē)T(mén)洞門(mén)框膠條承壓特性

在關(guān)門(mén)過(guò)程中，尤其閉合終點(diǎn)附近，當(dāng)空氣泄漏量很小時(shí)，勢(shì)必使門(mén)洞門(mén)框夾縫空間內(nèi)部壓強(qiáng)劇增，門(mén)洞門(mén)框膠條的承壓特性就呈現(xiàn)出來(lái)，承壓特性就是指當(dāng)夾縫空間壓強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，門(mén)洞膠條或門(mén)框膠條不再維持其密封狀態(tài)，開(kāi)啟松動(dòng)泄壓，見(jiàn)圖13，這個(gè)膠條承壓屬性需要根據(jù)膠條熟悉定義或測(cè)量獲得。

圖13 膠條圍成空間的保壓曲線(xiàn)

3.5 關(guān)門(mén)過(guò)程施加的閉合動(dòng)能的自動(dòng)搜索

在側(cè)門(mén)閉合過(guò)程中一部分能量有利于關(guān)門(mén)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，而另一部分能量阻礙關(guān)門(mén)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，人們習(xí)慣于在門(mén)停于1擋位置時(shí)施力關(guān)門(mén)，所以關(guān)門(mén)能量起始點(diǎn)定義為限位1擋位置，如圖14所示，施力維持時(shí)間不能限定，根據(jù)操作習(xí)慣，瞬間給力，使側(cè)門(mén)運(yùn)動(dòng)一段距離后停止施力，此過(guò)程包含操作舒適性的要求。

圖14 施力關(guān)門(mén)過(guò)程與限位器臂桿位置關(guān)系

具體地說(shuō)：如圖14所示，關(guān)門(mén)能量測(cè)量起始位置于1擋限位位置，該位置所對(duì)應(yīng)角度等信息通過(guò)模型計(jì)算獲得，可直接讀取位置角度，關(guān)門(mén)過(guò)程施加的力設(shè)置為一個(gè)連續(xù)遞增的值，范圍為0～100 N，可根據(jù)需要增加或減小范圍，減小計(jì)算量，施力延續(xù)范圍為5°，它與兩點(diǎn)大小范圍配套進(jìn)行，如一個(gè)施加力F作用在關(guān)門(mén)作用點(diǎn)，開(kāi)啟關(guān)門(mén)動(dòng)作，保持作用力大小不變并延續(xù)保持關(guān)門(mén)角度為5°，該過(guò)程施加力所做功為

式中：W為外力作用下所施加的閉合動(dòng)能，J；RADIANS（θ）為施力延續(xù)范圍為θ所對(duì)應(yīng)的弧度；F為施加的外力大小，N；L為施加的外力力臂長(zhǎng)度，m。

側(cè)門(mén)限位系統(tǒng)計(jì)算基本信息如圖15所示，它是將計(jì)算模型各個(gè)部件和機(jī)構(gòu)所消耗的能量進(jìn)行匯總和分析，它監(jiān)控并讀取關(guān)門(mén)過(guò)程任意微分單元。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)關(guān)門(mén)動(dòng)作由施加的閉合動(dòng)能開(kāi)始動(dòng)作，動(dòng)作過(guò)程中需要克服或釋放對(duì)應(yīng)的能量：當(dāng)動(dòng)作趨于壓縮膠條瞬間時(shí)，該值也為實(shí)際計(jì)算獲得，圖15中“5.5°”對(duì)應(yīng)值，所指轉(zhuǎn)化為動(dòng)能值最大，其閉合速度也為最大，“1.14”對(duì)應(yīng)值為關(guān)門(mén)速度；當(dāng)動(dòng)作趨于閉合瞬間時(shí)，為了保證門(mén)鎖等機(jī)構(gòu)能完全閉合，在閉合瞬間仍然需要保持一定微小速度，“0.04”對(duì)應(yīng)值為維持速度；以上數(shù)值都與施加的閉合動(dòng)能相關(guān)，施加的閉合動(dòng)能越大關(guān)門(mén)速度越大，維持速度也越大，實(shí)際測(cè)量時(shí)若想使維持速度剛好為0很困難，理論計(jì)算過(guò)程，若通過(guò)手動(dòng)查找維持速度剛好為0也很困難。因此需要解決如何自動(dòng)搜索最小關(guān)門(mén)能量的關(guān)門(mén)計(jì)算過(guò)程。

圖15 側(cè)門(mén)限位系統(tǒng)計(jì)算基本信息

4 自動(dòng)搜索最小關(guān)門(mén)能量值

最小關(guān)門(mén)能量是針對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)布置方案建立的關(guān)門(mén)能量自動(dòng)計(jì)算模塊，它通過(guò)Excel平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)以及VBA語(yǔ)言編程，將自動(dòng)計(jì)算和搜索過(guò)程編程，點(diǎn)擊“最佳關(guān)門(mén)能量”按鈕，計(jì)算將自動(dòng)進(jìn)行，直至搜索計(jì)算出最小關(guān)門(mén)能量，部分代碼如下：

Dim i As Integer

Sheets（“關(guān)門(mén)能量分析”）.Select

ActiveWindow.Zoom＝100

Columns（“AJ：AOQ”）.Select′刪除上次計(jì)算內(nèi)容

Selection.Delete Shift：＝xlToLeft

ActiveWorkbook.Save′文件保存

Range（“AE3”）.Select

ActiveWindow.FreezePanes＝False

Columns（“H：AD”）.Select

Selection.EntireColumn.Hidden＝True

i＝Range（“A1”）

For i＝0 To i

Range（“C3”）.Select

ActiveCell.FormulaR1C1＝（Range（“A1”）-i）/10

If Range（“AE2”）＞0 Then

Columns（“AJ：AJ”）.Select

Selection.Insert Shift：＝xlToRight，

CopyOrigin：＝xlFormatFromLeftOrAbove

Range（“AE1：AE2”）.Select

Application.CutCopyMode＝False

Selection.Copy

Range（“AJ1”）.Select

Selection.PasteSpecial Paste：＝xlPasteValues，

Operation：＝xlNone，SkipBlanks＿

：＝False，Transpose：＝False

End If

Next i

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某一個(gè)具體部件和系統(tǒng)的建模計(jì)算，將一個(gè)復(fù)雜的工程有序融合在一起。

將所有設(shè)計(jì)輸入另存在一個(gè)專(zhuān)門(mén)區(qū)域——數(shù)據(jù)庫(kù)文件，便于設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)的集中管理和調(diào)配使用，修正和編輯這些數(shù)據(jù)庫(kù)文件即獲得新的設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)利用VBA語(yǔ)言編程，一鍵讀取指定的設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成指定設(shè)計(jì)預(yù)置方案的計(jì)算；同時(shí)根據(jù)需要確定是否對(duì)局部設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。多個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算均采用程序化控制方式，一鍵完成對(duì)應(yīng)計(jì)算內(nèi)容，一鍵完成最小關(guān)門(mén)能量的計(jì)算，簡(jiǎn)單快捷。

根據(jù)正向設(shè)計(jì)過(guò)程的嚴(yán)密性和連續(xù)性的需要，由于周邊布置條件的改變會(huì)不斷修改設(shè)計(jì)輸入，將修訂內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫(kù)文件中對(duì)應(yīng)修改，然后通過(guò)按鍵即可完成修訂方案的再計(jì)算，瞬間即可完成結(jié)果輸出，為正向設(shè)計(jì)提供即時(shí)、快捷、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果理論支撐。

正向設(shè)計(jì)結(jié)束后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和屬性?xún)?nèi)容可以作為典型設(shè)計(jì)保存，以為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，該計(jì)算方法可在較短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出最佳布置方案，并大大提高設(shè)計(jì)品質(zhì)，推進(jìn)了設(shè)計(jì)智能化方向進(jìn)程，值得在汽車(chē)正向設(shè)計(jì)中借鑒。