引 言

轎車車門系統(tǒng)是車身結(jié)構(gòu)的重要組成子系統(tǒng)，以繞安裝于車門側(cè)的鉸鏈為旋轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。一般轎車車門系統(tǒng)由薄板沖壓成型并通過焊接連成一個整體的受力結(jié)構(gòu)。在設(shè)計時會考慮到車門系統(tǒng)可能經(jīng)受暴風(fēng)吹開車門或路緣頂起車門等偶然性載荷，鉸接系統(tǒng)裝配調(diào)整以及客戶在使用車門時濫加的載荷（將門開啟一定角度，歇靠在車門上等），這些載荷將轉(zhuǎn)變?yōu)閷囬T系統(tǒng)和對限位器系統(tǒng)的剛度要求。

 

如果系統(tǒng)垂向剛度不足，在這些載荷作用下會導(dǎo)致車門因變形而下沉，從而影響車門和門框的間隙及表面平齊度，使車門關(guān)閉費力和密封性變差。因此各大 OEM 會在設(shè)計中對車門系統(tǒng)的下沉量設(shè)定設(shè)計目標(biāo)，保證車門的下沉剛度。

 

轎車車門下沉量仿真分析FE模型

計算轎車車門的下沉量，不僅僅只將轎車車門系統(tǒng)作為考量的目標(biāo)，為了盡可能的考慮到白車身對車門系統(tǒng)的影響，盡量減小仿真分析的誤差，在搭建仿真模型時也應(yīng)針對部分白車身進(jìn)行建模。

 

轎車車門的幾何系統(tǒng)

常見轎車車門系統(tǒng)的設(shè)計中承擔(dān)載荷的部件一般有外門板、內(nèi)門板、上加強板、下加強板、門鎖加強板、車門防撞桿、鉸鏈加強板和鉸鏈。一般由薄板沖壓成型并通過焊接連成一個整體的受力結(jié)構(gòu)。某車型轎車前車門系統(tǒng)的幾何爆炸圖如圖 1 所示。

 

 

圖 1 某車型幾何爆炸圖

 

該轎車前車門的材料及厚度信息如表 1 所示：

 

表 1 某車前車門材料及厚度信息一覽表

 

 

考慮到材料的非線性，需測試所用材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。針對試驗測試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，作出如圖所 2 所示的各材料在塑性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

 

 

圖 2 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

轎車前車門仿真模型建立

基礎(chǔ)有限元模型建立

按照公司的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)利用 hypermesh 前處理劃分前車門及部分白車身網(wǎng)格模型，定義各鈑金件的材料及厚度信息，在車門鉸鏈與車身鉸鏈鉸接位置使用剛性單元 rbe2 連接，該剛性單元放開沿著連接螺栓方向的旋轉(zhuǎn)自由度【1】。搭建好的基礎(chǔ) FE 模型如圖 3 所示。該基礎(chǔ) FE 模型的單元類型具體描述如表 2 所示。

 

 

圖 3 某車型前車門下沉量分析 FE 模型

 

表 2 某車前車門基礎(chǔ)有限元單元信息一覽表

 

 

帶接觸的有限元模型建立

ABAQUS 前處理具有強大的接觸定義理論。根據(jù)載荷作用時有可能產(chǎn)生的接觸關(guān)系需創(chuàng)建相應(yīng)的接觸對。

 

將前處理的基礎(chǔ) FE 模型導(dǎo)入 ABAQUS_CAE,利用 ABAQUS 軟件的接觸模塊創(chuàng)建鉸鏈與車身側(cè)、鉸鏈與門內(nèi)板側(cè)的接觸對。創(chuàng)建好的上鉸鏈對的接觸部分的 FE 模型如圖 4 所示。

 

 

圖 4 上鉸鏈的接觸對模型

 

轎車車門下沉量仿真分析求解針對搭建好的 FE 模型，定義邊界條件及加載曲線，在 ABAQUS 中創(chuàng)建分析步，定義材料及幾何非線性卡片，定義模型的輸出。

 

定義邊界條件及載荷

按照實車裝配狀態(tài)，約束車門鎖扣處的 y 方向的平動自由度，約束白車身截斷處的所有方向上的平動自由度。 依據(jù)公司現(xiàn)有的分析流程中對載荷的規(guī)定定義載荷曲線【2】。根據(jù)車門開啟角度分別加載如圖5（a）、圖 5（b）所示的載荷曲線：

 

 

圖 5（a）前車門開啟角度為 20°的載荷曲線

 

圖 5（b）前車門開啟角度為 60°的載荷曲線

 

定義分析步并創(chuàng)建任務(wù)提交計算

利用 ABAQUS 軟件中的 step 模塊，按照分析流程要求【2】定義輸出需求及各分析步的參數(shù)。創(chuàng)建分析任務(wù) Job，提交 ABAQUS 計算。

 

轎車車門下沉量仿真分析結(jié)果

利用 ABAQUS 軟件的后處理模塊讀取分析結(jié)果。在兩種開啟角度時，計算的結(jié)果云圖如圖 6

（a）、圖 6（b）及圖 7（a）、圖 7（b）。

 

圖 6（a）開啟角度為 20°的應(yīng)變結(jié)果云圖

 

圖 6（b）開啟角度為 20°的鉸鏈的應(yīng)力結(jié)果云圖

 

圖 7（a）開啟角度為 60°的應(yīng)變結(jié)果云圖

 

圖 7（b）開啟角度為 60°的鉸鏈應(yīng)力結(jié)果云圖

 

利用 ABAQUS 后處理模塊讀取作用點隨著時間變化的位移值，作出如圖 8 的曲線對比圖。

 

 

圖 8 應(yīng)變曲線計算結(jié)果與參考曲線對比圖

 

根據(jù)計算結(jié)果及對比曲線圖，該轎車前門開啟角度為 20°時的最大應(yīng)變及卸載后的殘余變形都超過標(biāo)準(zhǔn)曲線。同時，開啟角度 20°時上鉸鏈的最大應(yīng)力也超過材料的屈服極限。按照要求需對該子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

 

優(yōu)化

查看整個子系統(tǒng)在力的作用下各個件的變形情況，內(nèi)板剛度偏小。由于內(nèi)板模具已開，可優(yōu)化空間小，兼顧項目成本問題，決定對車門側(cè)鉸鏈加強板進(jìn)行優(yōu)化。具體優(yōu)化步驟如下所示。

 

步驟一：對鉸鏈加強板進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐貙挕?/span>

 

圖 9 加強板優(yōu)化顯示

 

步驟二：修改焊點位置并增加一個焊點，如圖 10 所示。

 

 

圖 10 焊點改變示意圖

 

將優(yōu)化過后的模型提交 ABAQS 軟件進(jìn)行重新計算，結(jié)果云圖如圖 11（a）、圖 11（b）及圖 12（a）、圖 12（b）所示。優(yōu)化過后，兩個開啟角度的應(yīng)變均在標(biāo)準(zhǔn)曲線內(nèi)，同時鉸鏈強度低于材料的屈服極限。

 

 

圖 11（a）優(yōu)化后開啟角度為 20°的應(yīng)變結(jié)果云圖

 

 

圖 11（b）優(yōu)化后開啟角度為 20°的鉸鏈應(yīng)力結(jié)果云圖

 

 

圖 12（a）優(yōu)化后開啟角度為 60°的應(yīng)變結(jié)果云圖

 

 

圖 12（b）優(yōu)化后開啟角度為 60°的鉸鏈應(yīng)力結(jié)果云圖

 

 

圖 13 優(yōu)化后應(yīng)變曲線計算結(jié)果與參考曲線對比圖

 

結(jié)論

綜合材料及幾何的非線性，零部件之間的接觸關(guān)系，通過 ABAQUS 的靜態(tài)隱式求解能夠比較真實的計算車門子系統(tǒng)的下沉量。車門子系統(tǒng)的下沉量只是車門子系統(tǒng)眾多指標(biāo)中的一項。運用仿真手段建立車門系統(tǒng)的有限元模型，利用 ABAQUS的強大的建模及求解功能能夠完成車門的眾多指標(biāo)的校核和優(yōu)化，為項目節(jié)省大量時間和經(jīng)費，是贏得行業(yè)競爭的一個切實有效的手段。

 

資料來源：達(dá)索官方