某乘用车车门性能仿真研究

shanshen

　　摘要：目前在汽车车门性能仿真中主要分析车门的刚度性能、自由模态以及抗凹性能。车门这些性能的好坏不仅影响车门系统与侧围之间的间隙与段差的控制，更直接影响到跟门系统相连接的车身部分零件的疲劳寿命。还会影响到车门的密封性能导致漏风漏水等问题，甚至会导致玻璃升降时窗框剧烈震动或无法升降。
　　本文用有限元方法借助HyperMesh 和RADIOSS对某乘用车的车门进行了仿真研究，并将结果与公司标准进行对比，仿真结果证明该车门的性能符合公司要求。该车门的样车顺利通过了车门的疲劳试验证明了仿真的可靠性。
　　1. 引言
　　近年来CAE技术在汽车开发中的应用，大大的缩短了汽车的开发周期，降低了开发成本。目前，随着汽车轻量化和经济性能的不断提高，汽车各零件的刚度性能难免有不同程度的降低。本文运用CAE技术完成了车门的性能仿真，证明了车门性能满足要求，甚至有很大的刚度富裕。
　　2. 车门有限元模型的建立
　　在HyperMesh中建立车门的有限元模型如图1。
　　

　　其中车门钣金零件使用10mm划分2D网格。铰链则是受力关键部位，因此需要采用比较精细的单元，车身侧铰链厚度为5mm，车门侧铰链厚度为4mm，均采用实体单位进行网格划分，单元尺寸为2mm ，厚度方向划分3层单元。
　　对模型中的壳体四边形单元赋予CQUAD4类型，三角形单元赋予CTRIA3类型，实体六面体单元赋予CHEXA类型，五面体单元赋予CPENTA类型，四面体单元赋予CTETRA类型。
　　车门为多个零件组成的总成件，零件之间的连接方式的模拟对仿真精度有非常重要的影响。在车门系统中连接方式包括点焊、烧焊、粘胶、包边、螺栓连接等。本文中采用ACM单元模拟点焊，直径为4mm。采用刚性单元RBE2来模拟烧焊和螺栓连接。粘胶则通过零件之间利用Adhesive单元连接来模拟。
　　整个门系统包括有18个主要零件，零件序号和名称如图2和表1所示。
　　

　　图2 左前门零件图
　　

　　本文中的仿真分析均是线性静力学分析，因此只输入材料的线性属性。模型中采用了三种材料，分别是普通碳钢、ACM中实体单元材料、粘胶材料。普通碳钢的密度为7.85e-9ton/mm3，弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3。粘胶材料密度为1.2e-9ton/mm3，弹性模量为50MPa，泊松比为0.49。实际生产时点焊是用焊枪在零件某点加热烧熔，利用熔化的钢水将几个零件粘在一起，因此不增加额外的重量，故ACM实体单元材料的密度为0，弹性模型为210000MPa，泊松比为0.3。
　　3. 车门刚度分析
　　目前对车门的刚度分析中普遍采用7个刚度工况方法来分析车门的7种刚度，分别为下垂刚度、上扭刚度、下扭刚度、窗框中部刚度、窗框角部刚度、内板带线刚度、外板带线刚度。具体如下：
　　(1) 下垂工况
　　下垂刚度是最重要的一个评价指标。下垂刚度不仅影响车门系统与侧围之间的间隙与段差的控制，更直接影响到跟门系统相连接的车身部分零件的疲劳寿命。下垂刚度说明如图3。在车身侧铰链安装孔约束123456(放开铰链之间旋转自由度)，锁芯约束2，锁芯施加Z向800N的集中力，分析Z向变形。
　　(2)上、下扭转工况
　　车门的扭转工况分上扭和下扭，分别加载在车门不同位置。是评价车门整体抗扭转能力的一个指标，关系着车门的密封性能。如图4所示。
　　

　　边界条件：车身侧铰链安装孔约束123456(放开铰链之间旋转自由度)，锁芯约束123。
　　上扭工况在窗框带线下25mm，锁侧密封面上施加Y向900N的均布力(由门内侧指向门外侧)；下扭工况是在与门角成45度角的密封面上施加Y向900N的均布力(由门内侧指向门外侧)。
　　评价指标：车门Y向最大变形点的Y向变形。
　　(3)窗框中部、角部工况
　　车门的窗框工况分两种，分别加载在窗框中部和锁侧的窗角位置，分别考察窗框中部和角部区域的刚度性能，是评价车门窗框在Y向抗变形的能力。如图5所示。
　　边界条件：车身侧铰链安装孔约束123456(放开铰链之间旋转自由度)，边框带线以下均匀3处约束123456。中部窗框工况加载窗框表面法线方向200N(由门内侧指向门外侧)；角部窗框工况加载窗框表面法线方向250N(由门内侧指向门外侧)。
　　评价指标：加载点在法线方向的变形。
　　

　　(4)内板、外板带线工况
　　带线位置即窗沿区域。带线位置结构的强弱将直接影响着玻璃的升降平顺性以及客户对车门的整体感官认识。带线工况也分为两种：内板带线工况和外板带线工况，分别考察内外板带线处结构的Y向刚度，如图6所示。
　　边界条件：车身侧铰链安装孔约束123456(放开铰链之间旋转自由度)，边框带线以下均匀3处约束123456。在玻璃升降区域的正中位置，内板带线刚度在内板上施加Y向80N的力(由门内侧指向门外侧)，外板带线刚度在外板上施加Y向80N的力(由门外侧指向门内侧)。
　　评价指标：加载点Y向变形。
　　在HyperMesh中完成7种工况的前处理后调用RADIOSS（采用Bulk Data Format）软件求解，在HyperView中查看刚度结果，如表2所示。
　　family:"Times New Roman"'
　　由门内侧指向门外侧)；角部窗框工况加载窗框表面法线方向250N(由门内侧指向门外侧)。
　　评价指标：加载点在法线方向的变形。
　　

　　从图中可以看出，七个刚度计算结果均小于某公司的标准。同时可以看出，上扭刚度明显好于下扭刚度，窗框角部刚度明显好于窗框中部刚度，内板带线刚度明显好于外板带线刚度。即门的某些部位结构较强，抗变形能力好，而某些部位结构较弱，有待提高，这种不平衡的现象会导致车门在使用过程中局部变形较大而产生不良后果，应尽量避免。
　　4. 车门自由模态分析
　　自由模态分析仍采用车门结构静刚度分析所用的有限元模型，解除全部约束和载荷，建立新的模态计算载荷(计算车门自由状态下1Hz-100Hz区间内的模态)。计算结果如下：
　　

　　

　　图7――图12是前六阶自由模态的振型图。第一阶和第二阶模态均表现为铰链绕旋转轴旋转。表3则列出了前六阶模态的详细信息。
　　

　　车门结构模态应错开载荷激振频率和整车频率。路面激励频率多出现在1-3Hz，因车轮不平衡引起的激励频率一般在1-30Hz，发动机引起的激振一般在23Hz以上。一般情况下，20Hz-30Hz是比较敏感频率区域，本模型第一阶模态频率为45.19Hz，成功避开了这个区域，仿真结果证明车门的自由模态满足要求。
　　5. 车门抗凹性能分析
　　若车辆外板件抗凹性不好，按压时会发生过大位移甚至凹坑，给顾客留下不好的印象。因此，车辆外板件的抗凹性能也是评价性能之一。对于前侧门而言，由于外板厚度为0.8mm，且表面光滑无特征，因此需要评价其抗凹形能。
　　车门抗凹性能的模拟方法如图13所示：固定门边，建立一个直径为40mm的刚性小球，并给小球在门外板表面法线方向的10mm强制位移实现“按压过程”，以小球和外板之间的接触力为评价指标。
　　

　　抗凹点的选取:一般在平缓无特征的区域，周围较大范围内无支撑。本车门模型选3个抗凹点，如图14所示。其中P1点为自由模态中外板局部模态的最大振幅点，P2点处于粘胶和下特征线的中央位置，P3点处于上特征线和粘胶的中央位置。
　　图15是本次抗凹分析的结果。P1_0.8mm表示外板为0.8mm时P1点的抗凹性能曲线，P1_0.7mm表示外板为0.7mm时P1点的抗凹性能曲线，其余类似。曲线在合格线上表示合格，在良好线上表示良好。从图中可以看出，外板为0.8mm时，P3点曲线基本处于良好线之上，此点抗凹形能良好。P1和P2点曲线部分处于合格线之下，即初始阶段不能满足要求。当外板为0.7mm时，3个点的抗凹性能均下降较多，且P2点严重不满足要求。由此可见外板厚度应为0.8毫米。
　　

　　图15 抗凹结果
　　6.结论
　　本文用有限元方法借助HyperMesh和RADIOSS模拟分析了某乘用车左前门的性能，包括刚度性能、模态性能和抗凹性性能，结果表明车门的刚度和模态性能满足公司标准，外板采用0.8毫米时车门的抗凹性能也基本满足要求。该车门的样车顺利通过了车门的疲劳试，验证明了仿真结果的可靠性。
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