某型商用车后车门刚度性能分析

黄杰文

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌330200）

1 引言

车门是非常重要的车身覆盖件，其主要由外板、内板、加强板、玻璃升降器和铰链等部件组成，其通过铰链与白车身连接一起形成一个闭合空间，并起到保护驾驶员安全的作用。车门刚度是指在一定作用力下抵抗变形的能力，通过作用力与及其变形量的比值来确定，是车门极其重要的静态特性，车门刚度性能不足会引发车门卡死、密封性差、噪声和振动等问题，对车辆的舒适性和安全性有较大影响。为了验证某型商用车后车门的刚度性能，基于CAE 技术建立后车门有限元模型，分别对其横向刚度和垂向刚度性能静态分析，以评判其结构的合理性，并且为后续的轻量化提供科学指导和借鉴。

2 有限元分析基本思想

有限元分析的基本思想是将结构离散化处理，然后通过节点建立微分方程，再将其变量演变为节点值与插值函数构成的表达式，最后通过变分原理求解，力与位移的平衡方程为[1-2]：

式（1）中：f为结构的载荷列阵；K为结构的刚度矩阵；q为结构节点的位移列阵。

3 建立有限元模型

为了提升求解精度并且节省计算时间，将某型商用车后车门的三维模型导入至Hypermesh 软件中[3-4]，抽取各个零部件中性面，删除对刚度性能影响较小的几何特征，对其缺失面进行填充，采用8 mm 的壳单元对各个零部件进行网格划分，采用ACM2 单元模拟焊点连接，采用RBE2 单元模拟螺栓连接，根据各个零部件的材料牌号和厚度建立材料属性并加载，以此建立后车门座有限元模型如图1 所示。

4 刚度性能分析

4.1 横向刚度

车门横向刚度包括窗框横向刚度和车身腰线开口部横向刚度，基于后车门有限元模型，采用Nastran 软件[5-6]约束铰链处12345 的自由度，约束锁扣处23 的自由度，约束缓冲块处接地点的123456 自由度，分别在窗框内侧棱线的内点、中点和外点沿Y方向施加﹣100 N 的载荷，以此对其进行静态分析，得到其位移云图，如图2、图3、图4 所示。由图2 可知，车门窗框在内点的位移为1.66 mm。由图3 可知，车门窗框在中点的位移为2.17 mm。由图4 可知，车门窗框在外点的位移为2.89 mm。三点的位移均小于目标值（5 mm），因此，该后车门窗框横向刚度性能符合设计标准，能够满足使用要求。

图1 后车门有限元模型

同样基于后车门有限元模型，并采用Nastran 软件约束铰链处12345 自由度，约束锁扣处23 自由度，约束缓冲块处接地点12346 自由度，在内板重要车身腰线中点下方50 mm 处分别沿Y方向施加﹣100 N 和100 N 的载荷，以此对其进行静态分析，得到其位移云图，如图5 和图6 所示。由图5 可知，参考点5 减去参考点4 的位移为0.354 mm，参考点5 减去参考点6 的位移为0.32 mm。由图6 可知，参考点5 减去参考点4 的位移为0.718 mm，参考点5 减去参考点6 的位移为0.68 mm。两者的位移均小于目标值（2 mm）因此，该后车门车身腰线开口部横向刚度性能也满足设计要求。

图2 后车门窗框内点的位移云图

图3 后车门窗框中点的位移云图

图4 后车门窗框外点的位移云图

图5 后车门腰线加载﹣100 N 的位移云图

图6 后车门腰线加载100 N 的位移云图

4.2 垂向刚度

基于后车门有限元模型，采用Nastran 软件约束铰链处12345 自由度，约束锁扣处2 自由度，在锁扣处沿Z方向施加﹣800 N 的载荷，对其进行静态分析。后车门垂向位移云图如图7 所示。由图7 可知，该车门外点的位移为0.659 mm，小于实际工程要求值（2 mm），因此，满足垂向刚度性能设计要求。

图7 后车门垂向位移云图

综上所述，该后车门的横向刚度性能和垂向刚度性能均符合要求，能够有效避免发生失效和故障，为进一步的轻量化设计提供了理论基础和参考。

5 结论

采用有限元方法建立某型商用车后车门网格模型，分别对其进行约束和加载，得到了其各种工况的位移云图，其横向刚度和垂向刚度均符合设计要求，验证了其合理性和可行性。该分析方法能够提升产品开发效率，节省试验费用，为工程应用提供了重要参考依据，有很重要的工程应用意义。