某型货车车门下沉刚度分析及改进设计

摘要：利用Hypermesh软件对某货车车门进行有限元建模及下沉刚度仿真分析，得到车门应力、应变云图，进行该车门的下沉刚度试验，对比分析仿真结果和试验所得下沉变形数据，提出改进措施并计算验证。结果表明，车门有限元模型能反映实际结构的刚度特性，改进后的车门满足车门下沉刚度的要求，该方法为新车门的研发提供了依据。

关键词：车门；下沉刚度；有限元；Hypermesh

中图分类号：U463.83+4 文献标志码：A 文章编号：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，Hefei 230009，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

车门是车身设计中重要而又相对独立的部件，由门体、附件和内饰件等组成。作为一个综合性的转动部件，车门和驾驶室一起组成乘员的周围空间，应具有良好的振动特性及足够的强度和刚度，满足车门闭合时耐冲击性能和侧碰时抗碰撞性能［1］。车门承受着来自道路激励、驾驶室以及附件的各种载荷作用，传统分析方法难以进行。

本文针对某型货车门在使用过程中由于下沉刚度不足造成了漏风、渗水、行驶过程中车门振动等问题，通过建立车门有限元模型，对其下沉刚度进行了仿真，同时对该车门进行了下沉刚度试验，对比仿真数据和试验数据，找出车门存在的问题，并进行改进及二次分析，为新车门的优化设计提供了依据。

1 车门有限元模型

车门有限元模型的构建采用Hypermesh软件，求解器采用OptiStruct软件，计算结果在Hyperview中进行后处理。

车门的全部板件采用四边形和三边形的板壳单元来模拟，对车门结构进行适当的简化，形成适合有限元划分的简化几何模型。网格密度大小取10 mm，焊点采用spotweld刚性连接方式模拟，螺栓采用rigid单元模拟。车门的有限元模型如图1所示，单元总数为36 580个，四边形单元数为35 300个，三边形单元数为1 280个，其中，三边形单元数占单元总数的3.5%（

2 车门有限元刚度分析

2.1 约束类型及加载方式

工况1约束方式：门铰链处dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，门锁处仅dof2=0。

加载条件：车门自重，无其他加载条件。

工况2约束方式：门铰链处dof1=0，dof2=0，dof3=0，dof4=0，dof5=0，dof6=0，门锁处仅dof2=0。

加载条件：在门锁处加载980 N的Z向集中力。

dof1 、dof2、 dof3分别表示X、Y、Z方向的平动自由度，dof4、dof5、dof6分别表示X、Y、Z方向的转动自由度。加载方式如图2所示。

2.2 下沉分析与结果

工况1中，车门只受自重而不受其他载荷作用影响，变形量微乎其微，故本文重点分析讨论工况2，车门位移分布云图及应力分布云图如图3所示。

（1） 最大应力位于车门内板与铰链连接处，应力值为388 MPa，此处表现为局部应力集中，与铰链约束有关，而铰链周围内板应力多在260 MPa左右。

（2）车门最大垂向位移处在门框右上部，最大Z向变形量为5.31 mm，而只受重力载荷工况下最大位移同样出现在门框右上部，位移值为0.41 mm。加载工况下车门锁芯处的Z向变形量为3.92 mm。参考车门下沉刚度一般评价标准为车门锁芯处Z向位移量

3 车门刚度试验分析

3.1 刚度试验测试方法

为建立车门刚度评价标准及验证有限元刚度分析的结果，采用试验法对该车门进行了下沉刚度试验。就车门本体而言，将车门安装在刚性柱上。在距转轴点990 mm处逐级施加Z向至100 kg 的载荷，并逐级卸载，测量车门变形情况并进行分析。为保证所测数据的准确性，采集三组数据取均值。试验车门如图4所示。

采用分级加载法，用标准砝码逐级施加/卸载载荷并逐级测取响应信号，通过位移传感器将位移响应输入静态位移测试仪，再通过DH3816应变测量系统采集数据，从而得出车门在各级加、卸载状态下的变形量。

3.2 试验结果分析

车门刚性柱安装状态下，逐级加载与卸载时车门Z向位移见表1，相关数据绘制成图5。

由试验所得数据得知，在加载100 kg状态下，车门Z向最大变形量为5.15 mm，而有限元刚度分析Z向最大变形量为5.31 mm，二者相近，误差仅为3.1%，表明该模型可以反映车门刚度特性及可以用于进一步改进设计分析。

4 改进方案与计算结果

由于此款车型已经上市，车门系统作为驾驶室总成的子系统，不能做大的改动，所以在不改变车门部件位置关系并设法提高车门下沉刚度的原则下，采取了如下多种试算方案：

a）车门外板厚度由0.8增加至1.0 mm；

b）车门内板厚度由0.8增加至1.0 mm；

c）车门内板加强板厚度由0.7增至1.2 mm；

d）车窗上框加强板厚度由0.7增加至1.2 mm；

e）侧碰防撞梁厚度由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）铰链安装加强板厚度由1.5增加至2.0 mm；

h）内板与铰链加强板之间焊点数增加8个。

改进效果如表2所示。

由表2可知，改变车门内板、车门内板加强板、侧碰防撞梁及防撞梁后支架的厚度对车门下沉刚度的改善效果不明显。而改变车门外板的厚度对下沉刚度的改善效果较为明显，但车门外板厚度的改变又会带来其他问题，比如车门质量的增加不利于轻量化设计，大板件厚度的改变增加冲压成型的难度等［4］。因此，增加铰链安装加强板、车窗上框加强板厚度以及适当增加内板与铰链安装加强板之间增加焊点数可以作为改善车门下沉刚度的优先选择。基于上述比较，本文采用方案d、g、h，经过计算，车门最大Z向下沉量由5.31 mm降为3.87 mm，车门锁芯处为2.83 mm，满足车门下沉刚度要求，另一方面，车门结构应力也得到改善，最大应力仍出现在车门内板与铰链连接处，由388 MPa降为223 MPa。

5 结束语

车门下沉刚度的计算与分析是车门结构设计优化中的重要环节，车门下沉刚度也是车门刚度设计中的重要指标之一［5］。本文通过有限元法对某型货车车门进行下沉刚度分析，并通过对比试验验证了模型的准确性，基于分析结果提出了切实可行的改进方案，为车门的进一步优化提供了参考依据。

广义车门系统包括车门本体、车门铰链、车门锁及车身门框等。在载荷作用下除了车门本身变形外，车身门框变形也会影响到车门的密封性等。因此，完整的车门分析应包括车门及车身门框变形，这一问题将另文讨论。

参考文献：

［1］ 黄金陵.汽车车身设计［M］. 北京:机械工业出版社，2008，279-289.

［2］ 谭继锦，张代胜.汽车结构有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［3］ 韦勇，李佳，成艾国.基于有限元法的轿车后车门刚度分析［J］.机械工程师，2010，8：75-77.

［4］ 赵建宁.轿车后车门动态特性分析［J］.汽车科技，2009，（4）：30-33.

［5］ 万德安，赵建才．轿车车门刚度有限元分析及结构优化［J］.汽车工程，2001，23（6）：385-388.