谷同金 張代勝 張愛(ài)軍 李楠

摘要：利用Hypermesh軟件對(duì)某貨車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行有限元建模及下沉剛度仿真分析，得到車(chē)門(mén)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，進(jìn)行該車(chē)門(mén)的下沉剛度試驗(yàn)，對(duì)比分析仿真結(jié)果和試驗(yàn)所得下沉變形數(shù)據(jù)，提出改進(jìn)措施并計(jì)算驗(yàn)證。結(jié)果表明，車(chē)門(mén)有限元模型能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度特性，改進(jìn)后的車(chē)門(mén)滿(mǎn)足車(chē)門(mén)下沉剛度的要求，該方法為新車(chē)門(mén)的研發(fā)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén)；下沉剛度；有限元；Hypermesh

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.83+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2012）02-0036-03

Sag Stiffness Analysis and Improvement Design of Truck Door

GU Tong-jin，ZHANG Dai-sheng，ZHANG Ai-jun，LI Nan

（School of Machinnery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract: Finite element modeling and sag stiffness simulation of truck door were conducted by using Hypermesh software，the stress cloud and strain cloud. Sag stiffness test of the door was carried on，simulation results and experimental data of sag distortion were compared and analyzed.Put forward the improvement measures and computing verification，the results show that the finite element model of the door reflects the actual structure of the stiffness and the improved door meets the requirements of the sag stiffness.The method provides basis for further research and development of new door.

Key words: truck door；sag stiffness；finite element；Hypermesh

車(chē)門(mén)是車(chē)身設(shè)計(jì)中重要而又相對(duì)獨(dú)立的部件，由門(mén)體、附件和內(nèi)飾件等組成。作為一個(gè)綜合性的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，車(chē)門(mén)和駕駛室一起組成乘員的周?chē)臻g，應(yīng)具有良好的振動(dòng)特性及足夠的強(qiáng)度和剛度，滿(mǎn)足車(chē)門(mén)閉合時(shí)耐沖擊性能和側(cè)碰時(shí)抗碰撞性能［1］。車(chē)門(mén)承受著來(lái)自道路激勵(lì)、駕駛室以及附件的各種載荷作用，傳統(tǒng)分析方法難以進(jìn)行。

本文針對(duì)某型貨車(chē)門(mén)在使用過(guò)程中由于下沉剛度不足造成了漏風(fēng)、滲水、行駛過(guò)程中車(chē)門(mén)振動(dòng)等問(wèn)題，通過(guò)建立車(chē)門(mén)有限元模型，對(duì)其下沉剛度進(jìn)行了仿真，同時(shí)對(duì)該車(chē)門(mén)進(jìn)行了下沉剛度試驗(yàn)，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出車(chē)門(mén)存在的問(wèn)題，并進(jìn)行改進(jìn)及二次分析，為新車(chē)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 車(chē)門(mén)有限元模型

車(chē)門(mén)有限元模型的構(gòu)建采用Hypermesh軟件，求解器采用OptiStruct軟件，計(jì)算結(jié)果在Hyperview中進(jìn)行后處理。

車(chē)門(mén)的全部板件采用四邊形和三邊形的板殼單元來(lái)模擬，對(duì)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，形成適合有限元?jiǎng)澐值暮?jiǎn)化幾何模型。網(wǎng)格密度大小取10 mm，焊點(diǎn)采用spotweld剛性連接方式模擬，螺栓采用rigid單元模擬。車(chē)門(mén)的有限元模型如圖1所示，單元總數(shù)為36 580個(gè)，四邊形單元數(shù)為35 300個(gè)，三邊形單元數(shù)為1 280個(gè)，其中，三邊形單元數(shù)占單元總數(shù)的3.5%（<10%）［2］。

2 車(chē)門(mén)有限元?jiǎng)偠确治?/p>

2.1 約束類(lèi)型及加載方式

工況1約束方式：門(mén)鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門(mén)鎖處僅dof2=0。

加載條件：車(chē)門(mén)自重，無(wú)其他加載條件。

工況2約束方式：門(mén)鉸鏈處dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，門(mén)鎖處僅dof2=0。

加載條件：在門(mén)鎖處加載980 N的Z向集中力。

dof1 、dof2、 dof3分別表示X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，dof4、dof5、dof6分別表示X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。加載方式如圖2所示。

2.2 下沉分析與結(jié)果

工況1中，車(chē)門(mén)只受自重而不受其他載荷作用影響，變形量微乎其微，故本文重點(diǎn)分析討論工況2，車(chē)門(mén)位移分布云圖及應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

（1） 最大應(yīng)力位于車(chē)門(mén)內(nèi)板與鉸鏈連接處，應(yīng)力值為388 MPa，此處表現(xiàn)為局部應(yīng)力集中，與鉸鏈約束有關(guān)，而鉸鏈周?chē)鷥?nèi)板應(yīng)力多在260 MPa左右。

（2）車(chē)門(mén)最大垂向位移處在門(mén)框右上部，最大Z向變形量為5.31 mm，而只受重力載荷工況下最大位移同樣出現(xiàn)在門(mén)框右上部，位移值為0.41 mm。加載工況下車(chē)門(mén)鎖芯處的Z向變形量為3.92 mm。參考車(chē)門(mén)下沉剛度一般評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為車(chē)門(mén)鎖芯處Z向位移量<3.5 mm［3］。顯示此車(chē)門(mén)剛度不足。

3 車(chē)門(mén)剛度試驗(yàn)分析

3.1 剛度試驗(yàn)測(cè)試方法

為建立車(chē)門(mén)剛度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)證有限元?jiǎng)偠确治龅慕Y(jié)果，采用試驗(yàn)法對(duì)該車(chē)門(mén)進(jìn)行了下沉剛度試驗(yàn)。就車(chē)門(mén)本體而言，將車(chē)門(mén)安裝在剛性柱上。在距轉(zhuǎn)軸點(diǎn)990 mm處逐級(jí)施加Z向至100 kg 的載荷，并逐級(jí)卸載，測(cè)量車(chē)門(mén)變形情況并進(jìn)行分析。為保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采集三組數(shù)據(jù)取均值。試驗(yàn)車(chē)門(mén)如圖4所示。

采用分級(jí)加載法，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼逐級(jí)施加/卸載載荷并逐級(jí)測(cè)取響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)位移傳感器將位移響應(yīng)輸入靜態(tài)位移測(cè)試儀，再通過(guò)DH3816應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，從而得出車(chē)門(mén)在各級(jí)加、卸載狀態(tài)下的變形量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

車(chē)門(mén)剛性柱安裝狀態(tài)下，逐級(jí)加載與卸載時(shí)車(chē)門(mén)Z向位移見(jiàn)表1，相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成圖5。

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)得知，在加載100 kg狀態(tài)下，車(chē)門(mén)Z向最大變形量為5.15 mm，而有限元?jiǎng)偠确治鯶向最大變形量為5.31 mm，二者相近，誤差僅為3.1%，表明該模型可以反映車(chē)門(mén)剛度特性及可以用于進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)分析。

4 改進(jìn)方案與計(jì)算結(jié)果

由于此款車(chē)型已經(jīng)上市，車(chē)門(mén)系統(tǒng)作為駕駛室總成的子系統(tǒng)，不能做大的改動(dòng)，所以在不改變車(chē)門(mén)部件位置關(guān)系并設(shè)法提高車(chē)門(mén)下沉剛度的原則下，采取了如下多種試算方案：

a）車(chē)門(mén)外板厚度由0.8增加至1.0 mm；

b）車(chē)門(mén)內(nèi)板厚度由0.8增加至1.0 mm；

c）車(chē)門(mén)內(nèi)板加強(qiáng)板厚度由0.7增至1.2 mm；

d）車(chē)窗上框加強(qiáng)板厚度由0.7增加至1.2 mm；

e）側(cè)碰防撞梁厚度由0.7增加至1.2 mm；

f） 防撞梁后支架厚度由0.7增加至1.2 mm；

g）鉸鏈安裝加強(qiáng)板厚度由1.5增加至2.0 mm；

h）內(nèi)板與鉸鏈加強(qiáng)板之間焊點(diǎn)數(shù)增加8個(gè)。

改進(jìn)效果如表2所示。

由表2可知，改變車(chē)門(mén)內(nèi)板、車(chē)門(mén)內(nèi)板加強(qiáng)板、側(cè)碰防撞梁及防撞梁后支架的厚度對(duì)車(chē)門(mén)下沉剛度的改善效果不明顯。而改變車(chē)門(mén)外板的厚度對(duì)下沉剛度的改善效果較為明顯，但車(chē)門(mén)外板厚度的改變又會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，比如車(chē)門(mén)質(zhì)量的增加不利于輕量化設(shè)計(jì)，大板件厚度的改變?cè)黾記_壓成型的難度等［4］。因此，增加鉸鏈安裝加強(qiáng)板、車(chē)窗上框加強(qiáng)板厚度以及適當(dāng)增加內(nèi)板與鉸鏈安裝加強(qiáng)板之間增加焊點(diǎn)數(shù)可以作為改善車(chē)門(mén)下沉剛度的優(yōu)先選擇?；谏鲜霰容^，本文采用方案d、g、h，經(jīng)過(guò)計(jì)算，車(chē)門(mén)最大Z向下沉量由5.31 mm降為3.87 mm，車(chē)門(mén)鎖芯處為2.83 mm，滿(mǎn)足車(chē)門(mén)下沉剛度要求，另一方面，車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力也得到改善，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在車(chē)門(mén)內(nèi)板與鉸鏈連接處，由388 MPa降為223 MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

車(chē)門(mén)下沉剛度的計(jì)算與分析是車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的重要環(huán)節(jié)，車(chē)門(mén)下沉剛度也是車(chē)門(mén)剛度設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一［5］。本文通過(guò)有限元法對(duì)某型貨車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行下沉剛度分析，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，基于分析結(jié)果提出了切實(shí)可行的改進(jìn)方案，為車(chē)門(mén)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

廣義車(chē)門(mén)系統(tǒng)包括車(chē)門(mén)本體、車(chē)門(mén)鉸鏈、車(chē)門(mén)鎖及車(chē)身門(mén)框等。在載荷作用下除了車(chē)門(mén)本身變形外，車(chē)身門(mén)框變形也會(huì)影響到車(chē)門(mén)的密封性等。因此，完整的車(chē)門(mén)分析應(yīng)包括車(chē)門(mén)及車(chē)身門(mén)框變形，這一問(wèn)題將另文討論。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 黃金陵.汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008，279-289.

［2］ 譚繼錦，張代勝.汽車(chē)結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［3］ 韋勇，李佳，成艾國(guó).基于有限元法的轎車(chē)后車(chē)門(mén)剛度分析［J］.機(jī)械工程師，2010，8：75-77.

［4］ 趙建寧.轎車(chē)后車(chē)門(mén)動(dòng)態(tài)特性分析［J］.汽車(chē)科技，2009，（4）：30-33.

［5］ 萬(wàn)德安，趙建才．轎車(chē)車(chē)門(mén)剛度有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽車(chē)工程，2001，23（6）：385-388.