汽车车门内锁止有限元分析及结构优化

何雪明,童洁,戴进,叶水平,谢长江

(1.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122；2.无锡忻润汽车安全系统有限公司，江苏无锡 214154)

汽车车门内锁止有限元分析及结构优化

何雪明1,童洁1,戴进1,叶水平1,谢长江2

(1.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122；2.无锡忻润汽车安全系统有限公司，江苏无锡 214154)

利用Unigraphics NX软件平台，对内锁止进行有限元仿真，分析其工作时受到的应力和位移。依据分析结果发现最大应力出现在凸耳根部，针对结构特点提出增大凸耳根部宽度并增添加强筋以求减小最大应力。实施结构优化后再次进行有限元仿真，对比前后两次有限元分析结果可知：该结构优化方案可有效减小内锁止工作时最大应力和位移，提高其工作可靠性和延长使用寿命，实现增强汽车安全性能的目的。

内锁止；有限元分析；应力；结构优化

0　引言

中国是汽车生产大国，汽车的市场需求量逐年上涨，随着汽车生产制造技术的不断发展，市场在要求汽车各零部件加工制造工艺技术提高的同时，用户对其功能性、安全性能、美观程度及使用舒适性的要求也越来越高。其中，汽车的安全性能一直是大家关注的重点，会受到汽车配件、控制系统等多方面的影响。例如车轮、安全气囊、安全带、防抱制动系统(ABS)等大零部件或系统[1]，即使是螺钉这样的小零件，也有可能引发大的安全事故。作为汽车必备的配件之一，汽车车锁是汽车门盖系统中重要功能件，也是重要的安全防盗部件。一辆汽车上主要有车门锁、点火锁、后备厢锁三大类车锁。

对于各类车锁，国家标准GB11568《汽车罩(盖)锁系统》和GB15086《汽车门锁以及车门保持件的性能要求和实验方法》对汽车门锁的性能要求有详细的说明[2]。标准要求汽车上的锁止装置能承受一定的惯性载荷，能可靠地将门盖系统保持在锁止位置，在任何工况下尤其是车辆行驶过程中不能自动打开。

某公司自行开发设计了某一系列车锁，其中包括车门锁和后备厢锁。文中将基于Unigraphics NX软件平台[3]，对其中一款车门锁的内锁止进行有限元仿真，分析其工作时受到的应力大小及位移。在满足使用要求的前提下，根据有限元应力分析结果对受最大应力处的结构做出相应修改，再次进行有限元分析并与前次分析数据对比，以验证其结构改进的合理性。

1　内锁止结构及工作过程

图1所示为该公司的某款内锁止三维模型，安装在驾驶室车门内侧，通过拉丝与按钮相连接，按钮只能由驾驶员控制。其主要功能是当汽车门关上以后，方便驾驶员在车内对车门进行上锁，防止在车辆行进过程中车门打开造成危险。当汽车停下后，打开车门之前通过按动内锁止按钮对车门进行解锁，然后才能打开车门。当按下按钮时，内锁止在拉丝的作用力下绕轴转动，以达到锁死或解锁的目的。内锁止按钮的锁止功能保证了车门在行车时不能打开，尤其可以防止儿童误开车门，保证车内人员安全，因此必须保证其功能性、可靠性及使用寿命。

2　有限元分析

有限元分析可以对机械零件真实的载荷工况进行仿真模拟[4-5]，是机械零件设计中广泛采用的分析手段。该款内锁止在工作时是否会发生破坏取决于其最脆弱部位的强度。因此，完成内锁止结构设计之后，需要进行三维模型的有限元仿真，分析在按钮被按压时内锁止所受到的最大应力和发生的最大位移。

2.1模型网格划分

对三维模型进行正确的网格划分是有效进行有限元仿真分析的基础，合理选择网格类型及网格大小是获得精确有限元分析结果的前提。在划分网格之前，需要对模型进行几何清理。这是由于设计时的曲面结构建模可能会存在缝隙、重叠、穿孔等缺陷，引起网格单元扭曲，导致网格质量不高，最终影响有限元分析结果的精确性。文中采用10节点的3D四面体单元划分网格，设置网格大小为2.83 mm。检查结果显示网格分布均匀且质量良好，共产生7 088个四面体单元，节点数为13 529个，如图2所示。

2.2参数设置

实际情况中通常采用高分子材料制造内锁止，因此指派有限元分析模型材料为ABS。

根据工作过程，内锁止在拉丝的拉力作用下会绕两侧的安装轴转动，因此采取对两侧的轴孔设置销钉约束的方法来模拟该约束。依据内锁止工作时的受力情况，载荷应加载在拉丝的安装孔中，设置大小为10 N，经过换算后拉丝安装孔的作用面上受到了1.67 N/mm2的拉力，选用NX NASTRAN求解器进行计算求解。

2.3有限元分析结果

图3为内锁止工作时的应力云图，图4为位移云图。从图3可看出：大应力主要集中在其他零件对内锁止作用力的作用点处，而整体模型的最大应力出现在内锁止凸耳根部，即第1 735个单元体上、第12 548个节点处，大小为3.513 MPa。由图4可知：最大位移值为0.060 9 mm，出现在凸耳结构的顶部，分析结果与实际工况相符合。

为了确定最大应力出现的准确位置，对模型有选择性地取点进行研究。如图5所示，在内锁止凸耳上取一点，研究从选取点开始沿着箭头方向连续节点的应力并绘制成折线图，如图6所示，横坐标表示离选取点的距离。测量结果显示：各节点应力呈先增大再减小变化的变化趋势，其中最大应力出现在距离选取点12.742 mm的位置，也是整个模型的最大应力位置，这与应力云图的分析结果相符。

3　结构改进及有限元分析

根据上述应力分析结果可知：内锁止工作时最大应力出现在与安装拉丝的凸耳处，存在破坏的隐患。实际工况中，按钮受到的作用力有大有小，拉丝传递的拉力也随之变化，且内锁止需要反复工作多次，凸耳结构的根部容易发生断裂。根据使用要求，必须降低峰值点的应力值，同时保证内锁止的结构强度。

经过研究讨论，决定对凸耳结构进行优化。在凸耳最大应力出现位置增大底部宽度，另一侧改为倒圆结构，半径为4.94 mm，这样可以减小受到的应力峰值同时增大结构强度，延长使用寿命。同时，在内侧不妨碍拉丝孔和轴孔的合适位置增加了厚度为1.48 mm的加强筋[6-7]，图7为结构优化后的内锁止模型，其中深色部分即为修改结构。对改进后的内锁止需要再次进行有限元分析。为了使对比结果更准确，同样采用10节点的3D四面体单元划分网格，且网格大小仍设置成2.83 mm。由于内锁止结构上发生了变化，划分网格后四面体单元增至9 003个，节点数为16 800个。

图8和图9分别为改进结构后的内锁止在工作时的应力和位移分析结果。从图8可知：最大应力出现的位置发生了变化，从凸耳根部变成了拉丝安装孔处，大小为2.512 MPa，比结构优化前减小了18.5%。图9表明了最大位移值为0.039 7 mm，比原有模型减小了34.8%。

根据如图5所示的测量路径，再次取点测量并绘出节点应力与距离关系折线图，如图10所示。可看出：节点应力的变化趋势与结构优化前相同，局部最大节点应力为2.152 MPa，出现在距离选取点18.368 mm的位置，但不是整个模型的最大应力位置，与应力云图的分析结果一致。得出结论：这样的结构改进有效降低内锁止工作的最大应力，减小工作时的位移，能够很好地改善内锁止的使用性能，延长其使用寿命。

前后两次有限元分析后的最大应力和最大位移对比见表1。可看出：内锁止结构改进后，最大应力和最大位移均明显降低，大大提高了内锁止工作可靠性。这表明该结构优化方案有效、可行。

表1　有限元分析结果对比

4　结论

对某款内锁止进行了简单的结构分析，基于有限元分析结果，提出改进凸耳结构及增加加强筋的结构优化方案并再次进行有限元分析。对比了前后两次内锁止的应力与位移，发现该结构优化方案可大幅度降低内锁止工作时受到的最大应力及最大位移量，从而可以实现延长内锁止使用寿命，减小其失效可能性，增强汽车安全性能，达到了预期目的。

【1】刘福全.汽车安全控制新技术[J].交通科技与经济，2008(4)：62-63.

【2】汪祥，贺占魁，李涛.汽车锁锁紧机构设计[J].汽车工程师，2014(6)：39-43.

【3】童钦，孟广耀，黄居鑫，等.UG和ANSYS结构优化设计比较[J].装备制造技术，2014(6)：115-117，136.

【4】陈涛.儿童锁机构的改进及有限元分析[J].汽车实用技术，2011(8)：1-4.

【5】靖娟.汽车车轮的有限元分析[J].机械研究与应用，2014，27(1)：102-104.

【6】麦云飞，刘威.基于ANSYS的汽车仪表板侧盖板的结构优化设计[J].机械工程及自动化，2015(1)：86-88.

【7】何雪明，陈伟民，刘洪园.基于UG的起重机结构有限元分析和优化[J].徐州工程学院学报:自然科学版，2013,28(1)：65-68.

FEA and Optimization for Vehicle Inner-door Latch

HE Xueming1, TONG Jie1, DAI Jin1, YE Shuiping1, XIE Changjiang2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Wuxi Xinrun Vehicle Security System Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214154,China)

With the help of Unigraphics NX software platform, the finite element simulation and analysis were carried on the inner-door latch model to analyze its stress and displacement when it worked. The maximum stress was found occurring at the convex lug root from the results of the analysis.To reduce the maximum stress, a proposal was submitted in which the width of the convex lug root was increased and stiffeners was added. After optimization, the FEA was conducted again and compared with the former results.It is shown that the structure optimization scheme can effectively reduce the maximum working stress and displacement of the inner-door latch, as well as the work reliability and life are improved with vehicle security enhanced.

Inner-door latch；Finite element analysis；Stress；Structure optimization

2015-06-01

国家自然科学基金资助项目(51275210)；江苏省产学研资助项目(BY2013015-30)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(2013-ZBZZ-016)

何雪明(1966—)，男，博士，教授,硕士生导师，主要研究方向为自由曲线、曲面CAD/CAM和逆向工程。E-mail：hxuem2003@163.com。

童洁，E-mail：tongjie_jn@126.com。