彭美青; 孙念芬; 邓磊
【期刊名称】《《汽车零部件》》
【年(卷),期】2019(000)009
【总页数】4页(P55-58)
【关键词】侧向窗框刚度; 仿真; 结构优化; 测试
【作 者】彭美青; 孙念芬; 邓磊
【作者单位】江铃汽车股份有限公司 江西南昌330052; 江西省汽车噪声与振动重点实验室 江西南昌330052
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.83
0 引言
汽车车门由门外板、门内板、门窗框、门玻璃导槽、门铰链、门锁及门窗附件等组成，是汽车车身重要且相对独立的部件，通过铰链与车身连接来实现开启和关闭[1]。 作为一个综合性的转动部件，车门和驾驶室一起形成乘员的生存空间，当车门闭合时，应具有良好的振动特性、足够的强度和刚度、耐冲击性能以及侧碰时的抗碰撞特性。传统设计车门的方法，通常是在样车阶段对车门刚度进行反复多次的试验，这样会大大增加开发成本和周期。随着有限元的发展，在汽车开发初期对车门进行刚度仿真分析，对车门的设计及优化提供有效指导意见，提高开发效率[2]。本文作者以某SUV车型后门为例，在项目早期对车门进行侧向窗框刚度分析，并对不合格的设计进行优化，在项目中期车门样件出来后，进行实验验证，使车门达到目标要求，从而降低开发成本、缩短车门开发周期。 1 车门刚度对车辆性能的影响
1.1 车门刚度
车门刚度是指车门在一定载荷作用下抵抗变形的能力，用对车门施加载荷与车门承受该载
荷后产生的变形之间的关系来表示车门刚度。
1.2 侧向窗框刚度
汽车车门系统作为用户经常使用、接触的部件，需具有足够的刚度以满足用户对使用性能、外观及噪声的要求，且车门的品质在一定程度上反映了造车水平。车门侧向窗框作为衡量车门品质的一项重要指标，若刚度不足，会导致变形，影响外观间隙平度；而变形过大，则会影响密封条的密封性，造成噪声加大和高速振响问题。
2 优化前CAE侧向窗框刚度分析
2.1 有限元网格划分
本文作者利用HyperMesh12.0建立与实车结构一致的后门有限元模型，见图1。该有限元模型包括后门钣金件和门铰链。
图1 后门有限元模型
2.2 边界条件及工况载荷步
以某SUV后门为例，在车门后角点进行加载，如图2所示。分析边界条件：在整车坐标系下，门铰链处约束123456，门锁处约束23。载荷步一：考虑自重(方向垂直于窗框密封面)；载荷步二：后角点施加垂直于窗框密封面的载荷180 N；载荷步三：持续加载到360 N；载荷步四：移除外载荷。
2.3 原方案侧向刚度CAE分析结果
该分析项为非线性分析，采用ABAQUS进行计算分析[3]，利用HyperView后处理查看侧向刚度的位移云图，记录加载点在各载荷步下的Y向位移值。图3是各载荷下的Y向位移值。
图2 约束和加载状态
图3 各载荷下的Y向位移(原方案)
分析结果如表1所示，载荷为180 N时的Y向变形为6.836 mm,不满足CAE目标值；移除外载荷的残余变形为0.94 mm，满足目标值。
包边带表1 分析结果和目标值的对照(原方案) mm工况最大位移计算仿真目标加载180 N 6.836<5.95加载360 N后卸载 0.940<1.28
3 优化方案及相应CAE分析
3.1 侧向窗框刚度优化
从分析结果可以看出：载荷为180 N时的刚度值不满足要求，需要进行优化分析。如图4所示，加载180 N的应变云图显示，最大应变主要集中在门锁加强板处,说明该处结构相对比较薄弱，对侧向窗框刚度的影响较大。
针对以上描述，如要提高Y向刚度，需提高门锁加强板在Y向的刚度，因此对其结构进行了优化。优化前，门锁加强板板厚1 mm，且与门内板间的2层焊有5个焊点。优化后，在门锁加强板上单独增加一块钣金，材料为B340/590DP，厚度为1 mm，与内板的焊接采用3层焊，且焊接区域分布10个焊点，如图5所示。
上述优化方案相当于增加了门锁加强板的局部厚度，使其在Y向强度增加，能很好地提高侧向窗框刚度，且在运输过程中窗框不易发生变形，保证了产品的可靠性[4]；与内板的焊接区域，新增5个焊点，也有利于Y向刚度的提升，进一步保证了产品的稳定性。经量产化工程师评估，该方案的工程化具有可行性。林妙可被毒虫咬伤
图4 优化前应变云图
图5 优化前后结构示意
3.2 侧向窗框刚度优化CAE验证分析
将优化方案进行网格更新，利用HyperMesh前处理进行约束和加载，采用ABAQUS进行非线性计算分析，在后处理软件HyperView中查看侧向刚度的位移云图，记录相应载荷步下加载点的Y向位移值，如图6所示。
图6 各载荷下的Y向位移(优化方案)
优化后分析结果如表2所示，载荷为180 N时的Y向变形为5.452 mm，移除外载荷的残余变形为0.708 mm，均满足CAE目标值。
表2 分析结果和目标值的对照(优化方案) mm工况最大位移计算仿真目标加载180 N 5.452<5.95加载360 N后卸载0.708<1.28
4 优化后试验验证
基于优化CAE分析结果，制作样件3个，分别标记为1号、2号、3号，利用工装和夹具对后门进行相应的约束，采用重量块进行多次加载,测量位移的设备是千分表。图7为某SUV后门侧向窗框刚度试验现场。
图7 某SUV后门侧向窗框刚度试验现场
根据CAE的工况载荷步，载荷加载到360 N，分10次加载得到下面试验结果，如表3所示。
表3 优化方案侧向窗框刚度试验表加载/N1号位移/mm2号位移/mm3号位移/mm0.0 0.0000.0000.00045.0 -1.902-1.601-2.20189.0-3.436-3.120-3.523134.0-4.549-4.800-4.546156.0-5.231-5.530-5.450180.0-6.012-6.280-6.080200.0-6.780-7.050-6.880223.0-7.560-7.780-7.560267.0-9.005-9.302-9.223311.0-10.450-10.708-10.910360.0-12.220-12.610-12.0910.0-0.928-1.12-1.080
根据优化后的测试结果和CAE分析结果，输出相应的曲线进行对比，如图8所示：测试曲线和CAE分析曲线相比，趋势基本一致，误差在5%以内，在误差可接受范围，因此对标状态良好[5]。
手套加工
图8 加载点力-位移曲线(后门靠近C柱角点加载)
对比分析结果，如表4所示，测试值满足目标值，说明该优化方案可以运用到量产化中。
表4 仿真分析与测试的对比结果 mm工况仿真分析最大位移测试最大位移差距目标加载180 N 5.4526.2800.828<7加载360 N后卸载0.7081.1200.412<1.5
5 结论
门的侧向窗框刚度在一定程度上会影响门的品质。通过CAE分析得到结果，若不满足CAE目标值，可以查看应变分布，到刚度薄弱处，并对该处进行有效的优化。按优化方案制作样件，在实车上进行测试验证，验证通过，说明该方案可以运用于量产，有效缩短车门开发周期、降低开发成本、保证设计质量。
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