徐昊地

[摘 要]隨著天津一汽駿派D60城市SUV的發(fā)布，天津一汽另一款三廂車正在研發(fā)。此三廂車前車門的部分研發(fā)過程即為本文的內(nèi)容。利用CAE（計算機輔助分析）手段可以在前期設(shè)計階段就給出性能合格的產(chǎn)品，并節(jié)省大量試制、實驗的時間和金錢，并縮短研發(fā)周期。采用有限元分析在車門設(shè)計前期計算出車門各項剛度和強度指標，并優(yōu)化車門不合格的指標，在試制實驗之前，提供最終版車門模型。

[關(guān)鍵詞]車門，剛度，強度優(yōu)化

中圖分類號：U463.834 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0257-02

1 引言

CAE在車身設(shè)計中與實驗的關(guān)系有兩種：1、在有試驗的基礎(chǔ)上，通過試驗結(jié)果驗證有限元模型準確性，在正確的有限元模型基礎(chǔ)上進行仿真優(yōu)化，并用優(yōu)化結(jié)果指導(dǎo)實際部件的設(shè)計，從而達到節(jié)約試驗成本、縮短研發(fā)周期的目的。2、轎車研發(fā)初期并沒有確定能用的Catia模型數(shù)據(jù)，也并沒有試制計劃，這時就需要用電腦仿真出一個滿足邊界條件初始模型，在此模型基礎(chǔ)上根據(jù)標準施加邊界條件、載荷，計算位移和應(yīng)力等評估指標，根據(jù)指標，對模型進行優(yōu)化。進而設(shè)計出符合標準的部件。從而作為試制試驗的數(shù)據(jù)。后者前期設(shè)計完全脫離實體部件，其設(shè)計過程完全靠電腦完成，是現(xiàn)代化設(shè)計的趨勢。本文是第二種方法，用計算機輔助設(shè)計出可以供試制試驗的前車門鈑金數(shù)據(jù)。

2 正文

有限元模型建模：

在車身發(fā)布V1版Catia數(shù)據(jù)后，采用HyperMesh中shell單元建模。如圖1所示：

有限元模型建成后，按公司內(nèi)部《車門結(jié)構(gòu)工況定義規(guī)范》添加邊界條件。包括：車門模態(tài)，扭轉(zhuǎn)剛度，側(cè)向剛度，自重下垂，腰線剛度，本體鉸鏈安裝點剛度，內(nèi)飾安裝孔剛度等指標。最終匯總出前車門結(jié)算結(jié)果表，發(fā)現(xiàn)前車門窗框側(cè)向剛度里的Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度、前車門內(nèi)飾安裝孔剛度里的內(nèi)飾安裝點3-6號四個安裝點剛度、后視鏡剛度里的X向剛度不合格。

綜合分析：

剛度分析1：車門的第一階非剛體模態(tài)模態(tài)為窗框模態(tài)，數(shù)值為39.5Hz，振型圖為圖二所示，振動方向為圖示箭頭方向。而Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度的變形趨勢與其相似。

通過變形與力傳遞分析和后視鏡X向剛度分析，推測出第一階窗框模態(tài)、Hinge側(cè)窗框側(cè)向剛度、后視鏡X向剛度三個指標不合格有相同的原因：連接窗框的兩側(cè)（可理解成支座）剛度較弱，尤其是后視鏡安裝側(cè)的連接。

詳細分析與改進建議：（1）、后視鏡安裝板與其他部分連接較少。導(dǎo)致前車門車窗前部剛度較低。從而使車門框側(cè)向剛度（Hinge）和后視鏡X向剛度過低。此處承受繞Z軸扭矩能力較弱。建議：加強此處連接。

（2）、車門內(nèi)加強版延伸程度不夠，導(dǎo)致局部剛度過于薄弱。建議：延長此加強板。

剛度分析2：不合格的工況還剩前車門內(nèi)飾安裝孔剛度中的內(nèi)飾點3-6四個點的安裝點剛度。內(nèi)飾安裝孔的加載條件為在車門左右側(cè)車門包邊各約束上中下三個區(qū)域（模擬臺架試驗的氣動夾具），并在每個內(nèi)飾孔上垂直于安裝點加力，算出在此力作用下內(nèi)飾點的垂向位移。如圖3：黃色三角形為約束位置，白色箭頭從右到左分別是在安裝點3-6上施加的力。

根據(jù)位移圖分析（圖4）：可知安裝點處位移較大的原因是這三個安裝點附近鈑金筋比較少或者是附近有大缺孔，導(dǎo)致垂向剛度較低。因此提出以下建議。

增強此處局部剛度（通過局部加筋或者移動內(nèi)飾安裝孔-使其更靠近邊緣）。加筋后，車門內(nèi)板局部模態(tài)也會相應(yīng)提升。

新版模型分析：

上述改進建議匯總，在此基礎(chǔ)上與車身設(shè)計部門溝通合作，綜合考慮車門內(nèi)部功能件安裝方便、沖壓模局方面要求，安裝點、安裝空間等布置，并借鑒了其他車型在此結(jié)構(gòu)薄弱點處的設(shè)計方法。優(yōu)化出了V2版數(shù)據(jù)模型，并進行建模計算。V1、V2版結(jié)果剛度對比：V1版本合格的工況V2版本同樣合格，V1版不合格的工況在V2版全部合格，如表1所示：

圖5所示為V1和V2版結(jié)構(gòu)差異對比。

從圖5中看出V1和V2之間的結(jié)構(gòu)差異主要在兩部分：1、圖中紅圈內(nèi)后視鏡安裝板的結(jié)構(gòu)形狀以及此安裝板與窗框和車門內(nèi)、外板的搭接形式。此處結(jié)構(gòu)完全變更。2、圖中下方內(nèi)飾安裝孔位置有所變化。

變化1如下圖6所示：

V1窗框采用兩段式設(shè)置，兩端之間有焊縫；V2版本的加強板面積更大，連接的件更多，圖示紅圈處為V2后視鏡加強板與門框內(nèi)板加強板、門框內(nèi)板都有焊點連接，玻璃導(dǎo)軌也增加了加強板并與車門內(nèi)板焊接。而V1版本后視鏡加強版較小，且僅與車門內(nèi)板有3處焊接。連接強度不高。圖示改動增加了窗框模態(tài)、Hinge側(cè)窗框側(cè)側(cè)向剛度與后視鏡X向加載剛度三項指標。與優(yōu)化前建議一致。

變化2如下圖7所示：

內(nèi)飾點安裝孔離車門內(nèi)板邊緣更近，相當于懸臂梁施力點離固定端距離更近，因此剛度更大。這樣改還會使強度即米塞斯應(yīng)力降低。V2改版思路與優(yōu)化前建議一致。通過上述兩處改動，前車門線性剛度指標已經(jīng)全部合格。可以發(fā)送至下一階段分析。

3 總結(jié)

本文運用有限元分析軟件Hyperworks在車門設(shè)計前期，計算車門的各項力學性能，從中篩選出不合格的工況，進行優(yōu)化，達成各項目標，從而在車門設(shè)計前期就保證產(chǎn)品的性能。從而為后續(xù)試驗，試制節(jié)省大量時間。經(jīng)過改進，最終設(shè)計出力學性能合格并兼顧減重的車門。為后續(xù)車門的設(shè)計提供借鑒，有效節(jié)省了設(shè)計變更的時間成本。

參考資料

[1] Altair.Hyperworks12.0 User`s Guide

[2] 企業(yè)規(guī)范《開閉件-車門結(jié)構(gòu)工況定義規(guī)范》