基于CAE分析和刚性试验的车门补强片运用

付磊，乐义，张月，张卫，莫林

（东风汽车公司技术中心，武汉 430058）

基于CAE分析和刚性试验的车门补强片运用

付磊，乐义，张月，张卫，莫林

（东风汽车公司技术中心，武汉 430058）

本文主要介绍了车门补强片在车门外板指压刚性改善上的运用，首先，利用指压试验和CAE分析方法得到车门外板指压刚性弱的区域；其次，针对这些刚性弱的区域，分别利用6种厚度和形状的补强片进行CAE分析，得到一种改善效果最好的车门补强片形式；最后，通过车门指压试验和主观评价，评定车门刚性得到较大改善，车门状态符合要求。

补强片；车门外板；指压试验；CAE

付磊

湖南大学车辆工程硕士研究生毕业，现任东风汽车公司技术中心责任工程师，研究方向：车门系统设计，已发表文章：《基于DIC技术和硬度试验的焊缝材料参数识别新方

1　引言

汽车轻量化是节省能源和降低污染的有效途径，研究报告表明：轿车每减重10%，则油耗可以降低减少6%-8%［1］。目前，国内外的汽车降重主要有两种途径：一种是采用强度高、质量轻的新型材料，如高强度钢板、铝镁合金、工程塑料（树脂基复合材料）等；另外一种是优化汽车结构设计，如结构件中空化、外板薄壁化［2］。但现在这方面潜力已经不大。因为汽车减重会减小车身的局部刚度，带来以下三个问题：

a、使得汽车在行驶过程中，顶盖、车门和侧围等外覆盖件容易产生共振，带来车身异响的问题，直接影响用户的主观感受；

b、客户对车门和侧围进行按压时，如果非常容易按入，易给客户产生汽车品质较差的印象，影响汽车品牌形象；

c、在侧面碰撞中，车门位置离乘员最近，车门的变形很容易使乘员受伤［3］，并且还可能造成车门门锁开启［4］。

为了解决这些问题，主机厂一般采用以下两种方式：

a、增加车门外板指压梁，在车门空腔内布置指压梁，与车门外板保持3-4mm间隙值，方便涂减震胶，这种增强方式对于指压刚性较弱的局部区域增强效果较好，但由于钣金件的尺寸大小及受空间布置限制，指压刚性增强区域面积较小、有的区域无法实现加强；

b、增加车门补强片，在汽车外覆盖件上粘贴补强片，这种方式可以针对外覆盖件指压刚性较弱的区域增加补强片，成本相对较低，后期也可以根据实车试验结果进行增减补强片，见图1：

本文主要通过一个车门外板刚性改善的实例，介绍如何利用CAE分析方法和指压刚性试验，更好的运用车门补强片。

2　补强片介绍

2.1补强原理

补强片固化到汽车外板后，形成的复合材料同时具有金属材料的刚性和非金属材料的韧性，改变了汽车外板的单纯的金属特性，汽车外板的刚性明显提高，耐疲劳性明显提高，主要有以下两方面的原因：

a、粘接层中的环氧树脂为热固性树脂，具有比较独特的环氧基，以及羟基、醚键等极性基因和活性基因，具有很强的内聚力，分子结构致密，力学性能优良。固化后的刚性较强，同时，由于补强片和金属的膨胀系数不一样，因此固化过程中，会产生少量收缩增强金属外板的张力，提高金属板自身的刚性。

b、作为覆盖层的玻璃纤维材料具有很强的韧性和抗撕裂性，当在外力的作用下，汽车外板产生较大的变形时，玻璃纤维能够阻止粘接层的变形，减低冲击的能量，减弱汽车外板所受到的冲击。

2.2分类

按照被粘物的表面状态、应用工序，补强片分为两个类别［5］，由于在涂装车间粘贴补强片，直接影响汽车涂装车间的清洁度，另外，内外板夹层粘贴补强片操作非常不方便，因此，大部分的主机厂都在焊装车间粘贴补强片，见表1：

表1　补强片类别

3　车门外板刚性试验方法

为了得到具体的车门外板指压刚性值，一般采用CAE分析方法和指压刚性试验。

3.1CAE分析方法

根据车门3D结构数据，在相对薄弱区域（即表面相对平坦，附近较大区域无支撑板、筋的区域）选择、布置抗凹考察点；依据相关试验标准的规定，建立圆面直径为20mm 的刚性压头模型，载荷为100N，车门外板材料为DC56D+ZF，弹性模量为2.1×105MPa，屈服强度164MPa；补强片由补强片基体和补强片玻璃纤维组成：补强片基体的弹性模量为2500MPa，屈服强度为18MPa，补强片玻璃纤维的弹性模量为9800MPa，屈服强度为22MPa，分析前处理软件为Hypermesh，求解器为ABAQUS/ Standard，求解出各考察点的位移量，与目标值4mm进行对比；对不满足抗凹分析的考察点区域布置补强片，以提高其抗凹性能，见图2：

3.2指压刚性试验方法

由于CAE有限元分析与实车会有误差，所以对新开发项目的试制车或试制零件还会进行车门外板指压试验，同样根据相关试验标准的规定，与CAE分析方法一致。根据试验结果，对不满足抗凹分析的考察点区域布置补强片，见图3-4：

3.3车门外板刚性改善方法流程

4　实例

结合一个车门外板指压刚性增强的实例，介绍补强片在车门刚性改善上的运用。

4.1问题描述

某车型在开发过程中，进行外板指压刚性试验时，发现外板部分区域的指压刚性较差，关门时，部分区域容易振动，形成噪音，影响关门音品质。同时，通过CAE对车门外板16个点进行指压刚性分析，车门外板上有5个点不满足标准要求，刚性较差。因此，需要对这块区域的刚性进行增强，见图5。

4.2问题解析

通过对这个问题进一步进行解析和竞品对比分析，发现造成这款车型的车门外板部分区域指压刚性较差主要有以下原因：

a、 与竞品车对比，车门外板尺寸偏大；

b、 车门外表面较平坦；

c、 无指压刚性梁

为了达到试验要求，必须增加外板指压刚性。

4.3解决方案

根据试验结果，针对这些指压刚性较弱的区域，如图5所示，可以使用补强片对这些区域进行增强，减小这些区域的指压变形量。

由于补强片有多种厚度，可以切割成多种形状，对这些不同形状，不同厚度的补强片进行分析。补强片有三种厚度和两种材料形状，一共有6种补强片形式，针对这些补强片增强方案，进行车门外板刚性增强CAE分析。

表2　补强片形式

4.4CAE和试验结果

通过对改进后的车门进行CAE分析，补强片种类3符合车门外板刚性要求，指压刚性全部符合要求。具体CAE分析结果见图6。同时，通过对实车进行指压试验，结果符合要求。

5　结束语

通过车门外板刚性改善的实例，介绍如何利用CAE分析方法和指压刚性试验，更好的运用车门补强片。得到如下结论：

1、外板CAS设计中，需要充分考虑车门外板刚性；

2、车门外板的刚性主要决定于车门外板的材料属性和厚度，补强片只能改善车门外板的局部指压刚性；

3、CAE分析不满足的外板区域，工程设计阶段就要考虑增加补强片，以免出现量产阶段的质量问题；

4、工程设计阶段，满足CAE刚性分析的车门外板，在试制阶段，还需要通过实车指压试验和主观评价进行验证，避免CAE分析的精度问题。

［1］张彦，来新民， 朱平，等.基于抗凹性的轿车零件的轻量化设计及耐撞性分析机械设计与研究［J］.机械设计与研究，2004，20（5）：75-79.

［2］陈世平. 汽车轻量化及其材料［J］.汽车工艺与材料，1995（4）：21-28.

［3］朱江森，郭艳茹，陈剑. 某车门碰撞性能分析及结构优化研究［J］.汽车科技，2011（5）：16-19.

［4］曹兆友，沈海东. 侧面碰撞中车门自动解锁现象的改进［J］.汽车工程师，2014（1）：60-62.

［5］QC/T 851-2011，汽车用补强胶片［S］.

专家推荐

王彦：

文章介绍了车门外板刚性差的坏处，补强片的原理、分类，阐述了车门外板刚性试验方法和CAE分析方法，解决了相应的实例问题。关于外板刚性试验和仿真方法，各汽车厂有各自方法。本文采用的方法，论述全面，能让读者读有所得，是一种好的方法。

The Use of Reinforcing Sheet Base on Pressure Testand CAEAnalysis

FU Lei， LE Yi， ZHANG Yue， ZHANG wei， MO Lin
（Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058）

This paper mainly introduces the application of the reinforcing sheet， about acupressure rigidity improvement on the outer door. Firstly， The pressure test and CAE analysis method to get the weak rigidly area of the outer door. Secondly， the stiffness weak areas， respectively， using 6 kinds of thickness and shape of the reinforcement plate for CAE analysis. Finally get a best effect of reinforcing sheet. Finally， through the pressure test and subjective evaluation， the rigidity of outer door is greatly improved， the state of the door is OK.

reinforcing sheet， outer door， pressure test， CAE

U463.83+4

A

1005-2550（2015）04-0034-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.04.008

2015-04-16