激光拼焊板在汽车车门上的应用

杨洪刚， 张庆才

（1.上海电机学院 汽车学院，上海 200245；2.上海同捷科技股份有限公司汽车设计工程研究院，上海 201206）

激光拼焊板在汽车车门上的应用

杨洪刚1， 张庆才2

（1.上海电机学院 汽车学院，上海 200245；2.上海同捷科技股份有限公司汽车设计工程研究院，上海 201206）

针对激光拼焊板的优越性能，以某轿车的前车门为例，采用数值模拟的方法，从自由模态、扭转刚度、垂向刚度等方面对比研究了激光拼焊板和普通加强板结构的性能差别，为激光拼焊板的进一步应用推广提供参考。结果表明：采用激光拼焊板结构可以减少零部件数量，并能显著提高车门的垂向刚度。

汽车车门；激光拼焊板；数值模拟

能源短缺及环境污染已成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。大量资料表明，汽车质量每减轻10%，燃油消耗下降6%～8%［1-2］，故汽车轻量化成为众多厂家追逐的目标。激光拼焊技术是目前世界上最先进的轿车车身制造技术，是一种减轻车身质量的有效方法［3］。

激光拼焊技术是利用“裁缝”的原理，根据汽车零件设计的要求，将不同厚度、不同强度、不同镀层和不同材质的钢板激光焊接成一块整体板后，再进行冲压的工艺技术。主要是满足零部件对材料性能的不同要求，以提高材料利用率［4-6］。

目前，由拼焊板生产的汽车零部件已经被成功地应用于车身骨架件、内外覆盖件、车门两侧的A，B立柱以及车门内板、底板、车轮支架、减振器架和横梁等车身部位。与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊板最为显著的优点是减少了零部件数量和材料消耗，减轻了整车质量，简化了装配工艺，因而得到越来越广泛的应用［7-8］。

本文以汽车前门为例，采用数值模拟的方法，从自由模态、扭转刚度、垂向刚度和生产成本等方面，对比研究了激光拼焊板结构和普通加强板结构的性能差别，重点分析了激光拼焊板的优越性，为激光拼焊板的进一步应用推广提供参考。

1 有限元模型

1.1 有限元建模

车门结构类型主要有整体冲压车门、分体冲压车门、框式车门和无框车门。结构虽然不同，但都具有车门内外板的主要结构部分。一般的门内板设计往往采用加强板结构，如内板加强板、铰链加强板、上加强板、下加强板和门锁加强板等。若采用激光拼焊板结构则可以省去部分普通加强板，可大大减少零部件数量，提高结构整合性能。为了对比分析，本文针对某车型的左前车门，分别对整体式车门内板加强板结构和内板拼焊板结构进行了有限元建模。

采用ANSA前处理软件进行有限元建模，模型输入到NASTRAN求解器中进行分析计算。车门有限元模型如图1所示，图中T为板材厚度。模型中，忽略了对整体力学性能影响较小的几何细节，如直径较小的孔、过渡圆角和倒角，以获得较好的网格质量，提高求解精度。所有零部件都采用板壳单元Pshell进行离散处理，并尽量采用四边形板壳单元模拟，单元尺寸在2～15mm，平均长度控制在10mm左右。点焊采用Cweld单元模拟，而缝焊则采用RBE2单元来模拟。内外板之间通过包边工艺连接，外板加强板焊接在内板上，并通过胶粘与外板连接。采用加强板结构的车门共26 052个壳单元，三角形单元占2.82%（＜5%），总质量为16.18kg；采用激光拼焊板结构的车门共25 458个壳单元，三角形单元占3.47%，总质量为16.07kg，比采用加强板结构的车门质量减少了0.11kg。

1.2 边界条件

自由模态分析中，车门模型去除上、下铰链，且整个模型处于自由状态，无约束。

扭转刚度分析中，结合车门结构特点及技术要求，根据车门刚度性能校核标准，分析确定工况，分为上部加载和下部加载。前门为关闭状态，约束前门铰链与车身链接处的所有自由度，释放铰链绕轴的转动自由度，约束门锁处的所有平动自由度。上部加载时，在窗框最上接头处加Y轴负方向200N的力；下部加载时，在下缓冲块接触位置加Y轴负方向200N的力。

垂向刚度分析中，车门附件采用集中质量单元COM2模拟，同时约束前门铰链与车身链接处的所有自由度，释放铰链绕轴的转动自由度，门锁处约束车门开启方向的自由度。按照国家规定乘员体重的标准确定车门工况，考虑车门自重，在门锁处施加750N的Z向节点力。

2 结果与分析

2.1 自由模态分析

汽车行驶过程中，发动机运转、路面不平等都会引起车门的振动。当这些振源的激励频率接近车门的固有频率，便会发生共振现象，产生剧烈的振动和噪声。通过模态分析可以了解和评价车门结构的固有频率及振动型式是否合理，能否满足实际使用要求，为基于动态特性的结构设计开发提供参考依据［9-10］。

激光拼焊板的车门一阶振型如图2所示，与普通加强板的一阶振型相似。前5阶的固有频率对比分析如表1所示。与加强板结构相比，采用激光拼焊板结构后，车门的固有频率未出现较大差异。主要是由于这两种车门结构特征和板材厚度相似，而且质量变化不大。

图2 激光拼焊板车门一阶振型Fig.2 Vibration type of laser tailored blank door

表1 固有频率对比分析Tab.1 Comparison of inherent frequency Hz

2.2 扭转刚度分析

开闭件是汽车的关键总成，除了保证外形美观以外，开闭件的开、关应可靠，故开闭件应有足够的刚度。刚度不足，会导致开闭件局部区域出现过大的变形，影响密封性，从而影响汽车的正常使用［11-13］。

不同工况下，采用激光拼焊板结构的车门扭转刚度位移云图如图3所示，扭转刚度对比见表2。由分析结果可见，车门上部刚度远小于下部刚度，主要是由于车门下部截面积较大，且受力点铰链、门锁均在下部，而上部窗框缺乏这样的支撑点。与加强板结构相比，采用激光拼焊板后，车门扭转刚度有所增强，上部刚度和下部刚度分别提高了1.84%和3.49%。

表2 扭转刚度对比分析Tab.2 Comparison of torsional stiffness N／mm

2.3 垂向刚度分析

车门具有足够的刚度对汽车的整体性能有着重要影响。车门垂向刚度不足会影响车门开关可靠性，严重时会造成漏风、渗水、行走过程中车门振动及噪声等问题，这将对乘坐舒适性造成严重影响［14－15］。

垂向刚度分析中，由仿真结果可得，普通加强板结构的车门最大变形出现在车门后上部，门锁处变形量为3.64mm，垂向刚度为235.1N／mm。激光拼焊板结构的车门门锁处变形量为3.19mm，垂向刚度明显增强，增加到268.3N／mm，提高了14.12%。

2.4 成本分析

汽车制造过程中，模具成本和材料成本占生产成本的较大比例。与普通加强板结构形式相比，采用激光拼焊板结构可以减少多余加强板的使用，从而减少了开模数量，降低了模具成本。同时，零部件数量的减少，使得生产设备和制造工艺简化，大大提高了生产效率，进一步降低了生产材料及装配成本。

3 结 论

针对激光拼焊板的优越性能，以汽车车门为研究对象，采用数值模拟的方法，从自由模态、扭转刚度、垂向刚度和生产成本等方面，对比分析了普通加强板结构和激光拼焊板结构的性能差别，得出以下结论：

（1）与普通加强板结构相比，采用激光拼焊板结构后，车门质量有所减轻。车门的固有频率未发生明显变化，但是车门扭转刚度得到提高，尤其是车门下部刚度。

（2）采用激光拼焊板结构后，车门垂向刚度得到大大加强，提高了14.1%。

（3）由于减少了零部件数量，采用激光拼焊板结构可以有效降低模具和材料成本，大大提高生产效率。

［1］龙江启，兰凤崇，陈吉清.车身轻量化钢铝一体化结构新技术的研究进展［J］.机械工程学报，2008，44（6）：27－35.

［2］林 辉，施 磊.浅谈激光拼焊板在汽车车身上的应用［J］.机械制造，2010，48（8）：66－68.

［3］骆 锐，王 艳，吴 沁.汽车轻量化前沿制造技术的研究进展［J］.制造技术 与机床，2010（10）：142－145.

［4］王非森.激光拼焊板的研究现状［J］.电焊机，2010，40（5）：177－179，183.

［5］林建平，孙东继，胡巧声，等.汽车用拼焊板国内外研究进展［J］.汽车技术，2007（8）：1－5，33.

［6］何 毅.激光拼焊汽车板的新进展［J］.汽车工艺与材料，2009（8）：1－3.

［7］赵淮北，蔡成征，舒 洁，等.车身制造中的激光拼焊技术［J］.现代零部件，2010（3）：56－58.

［8］陈根余，顾春影，梅丽芳，等.激光焊接技术在汽车制造中的应用与激光组焊单元设计［J］.电焊机，2010，40（5）：32－38.

［9］雷明准，张丰利，王建楠，等.基于有限元的车门模态分析与优化研究［J］.汽车技术，2008（12）：4－7.

［10］郝 琪，张继伟.基于数值模拟的轿车车门静态性能综合评价及模态分析［J］.机械设计与制造，2008（11）：247－249.

［11］侯 飞.轿车侧门强度验证的计算机模拟方法［J］.清华大学学报：自然科学版，2001，41（5）：84－89.

［12］邓国红，吴祖兴，杨鄂川，等.某经济型轿车车门刚度分析及结构优化［J］.四川兵工学报，2010，31（7）：41－43，56.

［13］黄石华，成艾国，胡朝辉，等.基于6σ稳健性的拼焊板车门轻量化研究［J］.汽车工程，2011，33（3）：262－266.

［14］施欲亮，朱 平，林忠钦.利用拼焊板结构改进车门内板的轻量化设计［J］.农业机械学报，2008，39（3）：178－181.

［15］马 超，陈道炯.汽车车门内板拼焊技术应用与分析［J］.汽车科技，2009（6）：41－45.

Application of Laser Tailored Blank to Automotive Door

YANG Honggang1， ZHANG Qingcai2
（1.School of Automobile，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China；2.Institue of Automotive Design Engineering，Shanghai TJ Innova Engineering ＆Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China）

With the advantage of laser tailored blank，taking a front car－door as an example，laser tailored blank and normal strength structure are studied using a numerical method.This is done based on analysis of modal，torsional stiffness and vertical stiffness.The study provides guidance for application of laser tailored blanks.The results show that the number of parts can be reduced，and vertical stiffness can be greatly increased by using a laser tailored blank structure.

automotive door；laser tailored blank；numerical simulation

TG 456.7；U 463.834

A

2095－0020（2011）03－0178－04

2011－05－02

上海市高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金项目资助（sdj10005）；上海电机学院科研启动经费项目资助（10C417）

杨洪刚（1979－），男，讲师，博士，专业方向为车辆工程，E－mail：yanghg＠sdju.edu.cn