某车型前车门结构设计与优化

[摘 要]随着天津一汽骏派D60城市SUV的，天津一汽另一款三厢车正在研发。此三厢车前车门的部分研发过程即为本文的内容。利用CAE（计算机辅助分析）手段可以在前期设计阶段就给出性能合格的产品，并节省大量试制、实验的时间和金钱，并缩短研发周期。采用有限元分析在车门设计前期计算出车门各项刚度和强度指标，并优化车门不合格的指标，在试制实验之前，提供最终版车门模型。

[关键词]车门，刚度，强度优化

中图分类号：U463.834 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0257-02

1 引言

CAE在车身设计中与实验的关系有两种：1、在有试验的基础上，通过试验结果验证有限元模型准确性，在正确的有限元模型基础上进行仿真优化，并用优化结果指导实际部件的设计，从而达到节约试验成本、缩短研发周期的目的。2、轿车研发初期并没有确定能用的Catia模型数据，也并没有试制计划，这时就需要用电脑仿真出一个满足边界条件初始模型，在此模型基础上根据标准施加边界条件、载荷，计算位移和应力等评估指标，根据指标，对模型进行优化。进而设计出符合标准的部件。从而作为试制试验的数据。后者前期设计完全脱离实体部件，其设计过程完全靠电脑完成，是现代化设计的趋势。本文是第二种方法，用计算机辅助设计出可以供试制试验的前车门钣金数据。

2 正文

有限元模型建模：

在车身V1版Catia数据后，采用HyperMesh中shell单元建模。如图1所示：

有限元模型建成后，按公司内部《车门结构工况定义规范》添加边界条件。包括：车门模态，扭转刚度，侧向刚度，自重下垂，腰线刚度，本体铰链安装点刚度，内饰安装孔刚度等指标。最终汇总出前车门结算结果表，发现前车门窗框侧向刚度里的Hinge侧窗框侧向刚度、前车门内饰安装孔刚度里的内饰安装点3-6号四个安装点刚度、后视镜刚度里的X向刚度不合格。

综合分析：

刚度分析1：车门的第一阶非刚体模态模态为窗框模态，数值为39.5Hz，振型图为图二所示，振动方向为图示箭头方向。而Hinge侧窗框侧向刚度的变形趋势与其相似。

通过变形与力传递分析和后视镜X向刚度分析，推测出第一阶窗框模态、Hinge侧窗框侧向刚度、后视镜X向刚度三个指标不合格有相同的原因：连接窗框的两侧（可理解成支座）刚度较弱，尤其是后视镜安装侧的连接。

详细分析与改进建议：（1）、后视镜安装板与其他部分连接较少。导致前车门车窗前部刚度较低。从而使车门框侧向刚度（Hinge）和后视镜X向刚度过低。此处承受绕Z轴扭矩能力较弱。建议：加强此处连接。

（2）、车门内加强版延伸程度不够，导致局部刚度过于薄弱。建议：延长此加强板。

刚度分析2：不合格的工况还剩前车门内饰安装孔刚度中的内饰点3-6四个点的安装点刚度。内饰安装孔的加载条件为在车门左右侧车门包边各约束上中下三个区域（模拟台架试验的气动夹具），并在每个内饰孔上垂直于安装点加力，算出在此力作用下内饰点的垂向位移。如图3：黄色三角形为约束位置，白色箭头从右到左分别是在安装点3-6上施加的力。

根据位移图分析（图4）：可知安装点处位移较大的原因是这三个安装点附近钣金筋比较少或者是附近有大缺孔，导致垂向刚度较低。因此提出以下建议。

增强此处局部刚度（通过局部加筋或者移动内饰安装孔-使其更靠近边缘）。加筋后，车门内板局部模态也会相应提升。

新版模型分析：

上述改进建议汇总，在此基础上与车身设计部门沟通合作，综合考虑车门内部功能件安装方便、冲压模局方面要求，安装点、安装空间等布置，并借鉴了其他车型在此结构薄弱点处的设计方法。优化出了V2版数据模型，并进行建模计算。V1、V2版结果刚度对比：V1版本合格的工况V2版本同样合格，V1版不合格的工况在V2版全部合格，如表1所示：

图5所示为V1和V2版结构差异对比。

从图5中看出V1和V2之间的结构差异主要在两部分：1、图中红圈内后视镜安装板的结构形状以及此安装板与窗框和车门内、外板的搭接形式。此处结构完全变更。2、图中下方内饰安装孔位置有所变化。

变化1如下图6所示：

V1窗框采用两段式设置，两端之间有焊缝；V2版本的加强板面积更大，连接的件更多，图示红圈处为V2后视镜加强板与门框内板加强板、门框内板都有焊点连接，玻璃导轨也增加了加强板并与车门内板焊接。而V1版本后视镜加强版较小，且仅与车门内板有3处焊接。连接强度不高。图示改动增加了窗框模态、Hinge侧窗框侧侧向刚度与后视镜X向加载刚度三项指标。与优化前建议一致。

变化2如下图7所示：

内饰点安装孔离车门内板边缘更近，相当于悬臂梁施力点离固定端距离更近，因此刚度更大。这样改还会使强度即米塞斯应力降低。V2改版思路与优化前建议一致。通过上述两处改动，前车门线性刚度指标已经全部合格。可以发送至下一阶段分析。

3 总结

本文运用有限元分析软件Hyperworks在车门设计前期，计算车门的各项力学性能，从中筛选出不合格的工况，进行优化，达成各项目标，从而在车门设计前期就保证产品的性能。从而为后续试验，试制节省大量时间。经过改进，最终设计出力学性能合格并兼顾减重的车门。为后续车门的设计提供借鉴，有效节省了设计变更的时间成本。

参考资料

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

[2] 企业规范《开闭件-车门结构工况定义规范》