基于HyperWorks的汽车车门铰链静刚度分析

秦涛，蔡元初，李斌

(1.湖北文理学院机械工程学院，湖北襄阳 441053；2.湖北航宇精工科技有限公司，湖北襄阳 441002)

0 引言

车门铰链作为汽车车门的关键部件，其设计的安全性直接关系到汽车行驶过程中乘客的安全，因此对车门铰链的刚度要求较高[1-2]。国内各商用车厂家在车门开发过程中尤其重视车门铰链的安全性能，通常采用试验验证和市场回馈的方式来说明车门铰链的刚度合理性[3]。然而，这种产品设计、验证方式周期较长，成本较高，无法满足现代的快速设计要求。

有限元方法在1960年被提出以后，CAE软件得到了快速发展，在各行业得到了广泛应用，国内外大量学者利用CAE分析获取结构的刚度和强度[4-5]，并借助工程经验加以改进，大大缩短了结构设计周期，降低了开发成本。本文作者使用CATIA建立车门铰链的三维实体模型，利用有限元分析软件HyperWorks建立有限元模型，对其进行静刚度有限元分析，来验证车门铰链设计的合理性。

1 模型建立

文中开发了一种改进型的车门铰链，利用三维制图软件CATIA建立其实体模型，如图1所示。该车门铰链由铰链板、铰链座、销轴、衬套和定位螺栓组成，其中铰链板直接与车身连接，铰链座安装在车门上。

图1 车门铰链结构图

2 工况分析及设计要求

2.1 工况分析

根据设计要求，车门铰链需要同时满足3个方向的刚度，因此需要完成3种工况下的有限元分析。在实际工作过程中，铰链座直接安装在车门上，添加固定约束，具体的工况设置如表1所示，分别列出了铰链在3种工况下的载荷和边界条件。

表1 车门铰链工况分析

2.2 设计要求

按照GB 15086-2013《汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法》的开发试验规范[6]，每个车门铰链要同时满足纵向、横向以及垂直刚度要求，才能保证车门的安装刚度要求。具体的评价指标：纵向刚度大于2 500 N/mm，横向刚度大于2 500 N/mm和垂直刚度大于1 500 N/mm，其方向分别对应坐标轴的X、Z、Y方向。

3 静刚度有限元分析

3.1 材料属性

车门铰链中铰链座和铰链板的材料为SAPH440，其他几个零件的材料为20MnTiB，具体参数如表2所示。

表2 车门铰链材料属性表

3.2 有限元模型

将车门铰链的三维模型导入HyperWorks中建立有限元模型，采用四面体单元对其进行网格划分，为了保证单元的有效性，对划分好的单元逐一进行质量检查[7]，最终得到有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

3.3 有限元分析

在HyperWorks中对车门铰链设置完载荷和边界条件后，进行刚度分析，得到3种工况下的位移分布云图如图3所示。

在得知车门铰链变形量后, 可以通过式(1)计算车门铰链的静刚度[8]：

(1)

式中：K为结构刚度；P为载荷；U为位移。

在计算静刚度时，一般选择最大的变形量，即纵向、横向、垂直刚度的最大位移量分别为0.268、0.067、0.234 mm，将其代入式(1)，解得对应的刚度如表3所示。可以看出：在3种工况下，车门铰链的静刚度均满足设计要求，说明文中设计的结构合理。

表3 车门铰链静刚度有限元分析

4 结论

文中开发了一种改进型的车门铰链，利用CATIA建立三维实体模型，在HyperWorks中建立有限元模型，完成静刚度有限元分析，得到车门铰链在纵向、横向以及垂直载荷作用下的位移分布云图，通过计算得到车门铰链的刚度值，表明设计的结构能够满足设计要求。