基于Nastran高级仿真的车门有限元分析

左小勇

摘 要：本文基于Nastran仿真模块对车门及其附件进行了有限元分析，得出柔性冲压件车门在不受外力情况下的应力应变，以便优化车门公差分配。

关键词：有限元分析；Nastran高级仿真；公差分配优化

汽车制造装配质量较大的影响着车辆外观和整车质量，公差分配设计是在初期时规定零件的尺寸、公差的要求。能够影响冲压模具、焊台的精度，是制造误差原因的上游，因此公差分配优化在汽车设计时至关重要。目前，国内外研究者在公差分配优化研究上，主要是对刚性体，而对柔性件如车身等研究少见。即便有，一般也是将其理想化为刚性体，进而进行研究。但这一处理，无法满足汽车设计中，对公差分配的高要求。

车门及其侧围、铰链等由钢板冲压制造，需要考虑此类柔性冲压钣金件变形情况下的公差分配优化，本文基于Nastran仿真模块对车门及其附件在三维公差分配优化之前考虑零件的变形情况，对模型进行有限元分析。得出柔性冲压件车门在不受外力情况下的应力应变，以便优化车门公差分配。

1 有限元分析

有限元分析，是一种将工程实际问题有限元化的现代工程分析计算方法。其基本思想是复杂问题简单化，用有限的未知量去逼近无限的真实系统，在模拟部件受力、应变时，是一种很有效的数值分析方法。

2 基于Nastran的高级仿真

要对车门做有限元分析，得到车门及其侧围，包括车门铰链受重下的变形，本文使用UG6.0的高级模块进行仿真计算分析。在仿真时，先对模型进行网格处理，然后定义约束，施加应力。使用Nastran求解，得到车门及其附件在不受外力，仅有自身重力情况下的应力应变。步骤如图2所示。

3 车门的有限元仿真

车门及其铰链受力变形对车门外观和制造质量都有影响。本部分通过有限元分析，得出了车门及其附件在不受外力，仅受自身中立情况下的应力应变。

3.1 建立数学模型

模型的网格划分数量不能过多，否则一方面网格划分繁琐，另外会较大增加计算量和时间，还可能引起内存溢出。对车门的有限元分析，可以把不影响整体结构的孔和小的圆角简化掉，这样既减少了网格数量，又降低了网格划分难度。对车门扣手和风窗孔，可以用自由曲面补平；安装孔、槽等可以忽略。处理之后的模型如图3所示。

在UG中选择Nastran模块，进行高级仿真有限元分析。

3.2 定义材料属性

对车门内外板材料属性进行定义：材料类型，特性设为“各向同性”；材料质量密度7.85；杨氏模量设为20940000kPa，泊松比设为0.288，屈服强度138795kPa，抗拉强度为275790kpa物理属性如图4所示。

3.3 网格单元检査

对车门内外板网格进行网格检查，检查结果如表1所示。失败的单元，需重新划分失败单元周围网格，直至全合格。

3.5 解算方案

在成功划分网格后，进行解算。使用NX Nastran求解器，因为只需要分析车门及其附件受重力影响下的公差分配，所以采用单约束结构分析，使用迭代求解，选最大作业时间。

3.6 定义仿真对象类型、约束

可以采用面与面粘合的方式，让内外板网格连接，以此让车门内外板的网格之间，让力和位移能够传递。粘合后模型如图5所示。上铰链施加的约束如图6所示。施加给模型对应的载荷。对侧围、铰链等附件对车门的影响，定义压力如图7①，而車门自身受重力的影响，定义载荷如图7②。

3.7 模型设置检查

为确保正确求解模型，对模型设置检查后，进行解算。如表2所示。

4 结果分析

检查模型的计算方案正确后，解算模型，设置最大求解时间、求解器位置、迭代求解器、温度等。软件可以通过分析工作监控模块、迭代收敛模块，自动进行解算，解算结束，可以得到解算结果，进而获得车门应力应变信息。

由图8可知，最大位移（a）是0.169mm在车门右上角处，最大应力（b）是1.64MPa在车门铰链安装面周围。选取典型节点（表3），位于车门边缘节点的位移是0.105-0.121mm。

车门是通过铰链安装的，而门锁仅起到锁止作用，对车门垂直方向的位移不能进行限制，所以当车门受力时，其后沿变形量最大。车门受铰链约束力作用，因此铰链在车门上的安装面的周围应变最大。以上有限元分析结果符合实际车门应力应变情况。

车门缝公差分配一般分布在0.7-1.3mm，由上述分析结果可知，车门在受自身重力，无外力作用下的变形就为0.18mm。合理的公差设计对汽车制造质量有重要意义，根据AUDIT评审（汽车质量客观评价法）得出，在对车门公差分配设计时，必须考虑车门及其附件，在不受外力仅受自身重力情况下的变形，以满足汽车尺寸工程对零件公差的设计的控制，保证后续建模的进行。

参考文献：

[1]Zhengshu Shen. Tolerance Analysis with EDS/Vis VSA[J]，Journal of Computing and Information Science in Engineering，2003，3，95-98.

[2]刑鲁超.基于逆向工程的车门设计技术[D].山东理工大学，2012.

[3]Song Gao，Xiaoyong Zuo. Surface Extension in Smoothing of Class A Surface for auto-body[J].Advanced Materials Research，2010，362（4）：2767-277.