基于有限元分析的某越野车车门改进设计

周红妮， 张继伟

（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）

1 引言

汽车车门在使用过程中有时会出现密封不严、卡死、噪声大等现象，大多数是由于在车门设计中刚度不足所造成。因此，在车门设计过程中，其应力和变形都应限定在一定范围之内，使车门具备足够的强度和刚度。

有限元分析方法是现代车身设计中的一种主要方法和必要环节。在某越野车车门试制阶段，针对车门扭转刚度存在的问题，对其进行了局部加强改进。为验证改进方案，本文基于有限元分析软件HYPERWORKS，对车门改进前、后扭转刚度计算结果进行对比，以确定改进方案是否提高了车门扭转刚度。

2 车门改进方案的提出

图1 车门基本结构图

2.1 车门结构特点

为了适应客户对车辆多种用途的需求，该越野车的车门在设计时采用的是上下分体式结构：即车门在车身腰线以上的部分设计为可拆开的结构；上半部分通过3根导向杆和前后两个连接板与下半部分通过螺栓进行连接（见图1）。此种结构的车门通过拆卸10个连接螺栓，可以实现车门上下两部分的分离，下半部分可以单独作为车门进行使用。

2.2 车门存在的问题

在车门试制转批量、车门板件开模期间，由于冲压工艺需要，对车门拉延深度较大的地方进行了圆角加大处理，使得试制车门局部结构与量产时车门结构有所不同：下半截车门内板圆角由原来的R11改为R36；由于圆角的变化，后连接板受门锁安装位置影响，由“I”型更改为“L”型，如图 2（a）与图 2（b）所示。

车门板件全部模具化以后，在整车PT试制阶段，通过VES评审，发现车门存在以下问题：车门在关闭时，上半部分出现晃动；车门上端与门框出现面差；淋雨试验时车门漏水。

图2 开模前后局部结构对比

2.3 改进方案的提出

经初步分析，车门刚度可能不够，导致车门上半部分晃动；在车门关闭后，受车门密封条反力，上端出现面差，从而无法保证车门的密封。由于此时整车即将进入量产阶段，解决车门刚性的问题迫在眉睫。而且车门板件所有零件的模具都已完成，如何在尽量不改变现有零件的基础上提升车门上半部分的刚度，成为了一个亟待攻克的难题。

通过对车门上半部分结构的分析可知：上半截车门的框体部分整体刚性较好，上半部分与下半部分的连接主要依靠3根导向杆和前后两个连接板，对加强导向杆与框体连接部位进行加强，应该能够提高车门上半部分的刚性。根据这个思路，提出了以下改进方案：在导向杆与框体连接的根部增加了一个加强板，加强板在与导向杆连接的部位增加翻边，更改方式见图3所示。

图3 加强板结构图

为了从理论上分析改进后的效果，这里将借助有限元分析软件HYPERWORKS对改进前、后的车门扭转刚度计算结果进行对比与分析。

3 有限元模型建立

3.1 主要部件及材料

本文主要对车门设计改进前后作对比分析，同时车门的主要承载是依靠车门板件，因此可以将一些车门附件如：车窗、门锁、内外开手柄、杆件、密封条等零件不纳入分析对象，而仅仅将车门板件总成作为分析对象。车门板件总成主要有：车门内外板（分上下）、外板加强梁、下加强板、导向杆及加强板、门锁加强板、铰链加强板及前后连接板等。

车门板件的材料均采用优质碳素结构钢08Al，弹性模量E为2.1×105MPa，材料密度为7800kg/m3，泊松比为0.3，屈服极限为240MPa。车门板件的总质量为15.6kg。

3.2 有限元模型

车门板件的几何模型主要来自开模时三维模型，在UniGraphics中建立，通过UG转换功能，以iges格式导入到HYPERWORKS中，根据后期计算的需要，导入前应先将实体模型转换成片体模型。

整个车门板件总成由大量的薄壁冲压件组成，存在大量的过渡圆角、孔洞和凸台；在有限元建模时，这些小的细节会影响单元质量，并增加运算量，因此，需要对模型的细节进行处理。对于小于5mm的圆角及倒角、半径小于10mm圆孔等细节在模型处理时均被忽略［1］。在细节处理完成后，再将所有零件导入HYPERWORKS进行装配，形成车门总成。

由于车门板件均为复杂面形成的薄板零件，因此采用壳单元进行结构离散（网格划分），主体为平面四边形单元［1］。以平面四边形单元网格优先划分，为尽量提高计算精度，尽量控制平面三角形单元网格。在车门内、外板边框处的包边，并采用厚度为3mm的壳单元模拟。模型的统计信息见表1。车门模型网格划分外视图见图4所示，内视图见图5所示。

表1 模型统计信息

图4 车门模型外视图

图5 车门模型内视图

3.3 焊点及螺栓的模拟

车门板件总成在网格划分完成后，需要将各个零件之间的关系建立起来，这就需要在模型中对零件的焊点和螺栓连接进行模拟。在工程软件HYPERWORKS中，对焊点采用了刚性单元连接进行模拟，根据实际焊点的位置及数量（焊点间距平均为50mm），建立对各个零件“焊接”关系。对于螺栓连接部位，除采用刚性单元连接外，还应考虑螺栓连接处的应力集中问题。为使该处及周围的应力尽量分布均匀，在有限元建模时，将车门铰链螺栓孔连接处及周围材料连接处的焊点密度加大，可改变此处焊点间平均距离为 20mm［1］。

3.4 铰链及门锁的模拟

因铰链和门锁不包括在车门模型中，需要对其进行简化。在车门铰链和门锁的螺栓安装位置使用了刚性单元连接，刚性连接结构中心节点为独立节点，边缘的节点依靠于中心的独立节点并具有6个自由度约束，它们之间没有相对位移，这是在螺栓和内板及加强板之间的简化模拟。这样螺栓被视为刚度大于板件的刚性体［1］。

3.5 约束与加载方式

结合车门的结构特点，并参照文献［2］的研究成果［1］，确定车门扭转刚度计算的约束和加载方式，选定三种工况来对改进前、后车门扭转刚度进行计算及分析（车门内板右下角处距离铰链位置过近，未考虑作评价）。约束与加载方式详见表2与图6所示。

表2 约束和加载方式

图6 三种工况受力点位置

4 车门扭转刚度有限元分析

采用有限元分析软件HYPERWORKS中的OPTISTRUCT模块，对改进前、后车门扭转刚度进行计算。三种工况下车门的最大变形分别出现在车门的左上角、右上角和右下角。改进前、后三种工况下车门的最大变形如图7和图8所示。改进前、后三种工况下车门的最大位移、扭转刚度计算结果的比较，如表3所示。

图7 改进前车门的变形图

图8 改进后车门的变形图

表3 改进前、后结果的比较

通过对比分析结果，可以看出在对车门上窗框与导向杆连接处进行局部加强后，节点最大位移都有不同程度的减小，且前两种工况下车门的扭转刚度得到了明显的提升，第三种工况下则不是很明显。但综合来说，改进后的效果还是比较明显的。且经对该改进方案进行试制验证，表明此方案确实切实有效地提高了车门扭转刚度，成功解决了车门在量产后可能出现的晃动、漏风、漏水等质量问题。该改进方案的设计最终在车门批量生产中得到实施。

5 结论

本文针对某越野车车门扭转刚度不足的问题，提出了改进设计方案。利用HYPERWORKS软件，建立了车门总成有限元分析模型，对不同工况下车门改进前、后扭转刚度计算结果进行了对比与分析，结论如下：

（1）开模后车门局部结构有所变化，车门前后连接板结构更改（前为“I”型；后为“L”型），合理的设计上下部分连接板对整体刚度可能有较大影响。

（2）车门的承力点铰链、门锁均在下半部分，上半截窗框没有这样的支撑点，上半截窗框部位的刚度明显比下部要低很多，因此在设计上下部分连接时，需要尽量提高窗框根部连接的刚度、强度，故根据实际情况，在导向杆与框体连接的根部增加了一个加强板。

（3）对比三种工况下车门改进前、后扭转刚度计算结果，综合来说改进后车门的扭转刚度得到较为明显的提升，为改进方案的确定提供了理论依据。

（4）经对该改进方案进行试制验证，表明此方案切实有效地提高了车门扭转刚度。

［1］ 张继伟，马迅，郝琪.基于计算机模拟的车门扭转刚度的分析及评价［J］.湖北汽车工业学院学报，2007，21（2）：5-7.

［2］ OPBROEK E.Ultralight steel auto closures project［R］.SAE，982308.

［3］ 郝琪.基于计算机模拟的车门下沉刚度改进设计及模态分析［J］.湖北汽车工业学院学报，2006，20（2）：7-10.

［4］ 马迅.轻型客车结构刚度与模态的有限元分析［J］.机械科学与技术，2002，21（1）：86-88.

［5］ 叶德涛.FEM技术用于车门设计的研究［J］.拖拉机与农用运输车，2006，33（4）：18-19.