某SUV左前车门静态刚度的有限元分析

许佳斌， 张瑞乾， 曹国栋

（北京信息科技大学 机电工程学院，北京100192）

0 引言

车门作为车身结构的重要组成部件，其通过铰链与车身连接，与车身一起为乘客提供安全的乘坐空间。车门主要由车门外板、车门内板、窗框加强板、门锁加强板、铰链安装板、防撞杆和铰链等组成［1］。车门刚度是车门设计中的重要参数之一，直接影响整车的舒适性和安全性［2-3］。因此，在汽车开发设计阶段，应根据试验数据对车门结构中存在的问题进行优化处理，从而提高产品整体的质量和性能。

本文利用有限元方法，通过计算机仿真对某款SUV前车门的模态、下沉刚度、扭转刚度进行了分析与计算，发现车门结构设计中存在的问题，为提高车门性能提供了参考依据。

1 建立车门有限元模型

首先，在CATIA软件中，根据车门的设计尺寸建立车门的三维几何模型，如图1所示，然后导入到有限元分析软件HyperMesh中进行几何修复，对于车门结构的变形和应力分布影响很小的某些功能件和非主要承载件进行模型的简化，如忽略直径小于16 mm的圆孔、半径小于5 mm的过渡圆角和倒角，以此获得较好的网格质量，提高求解精度。前车门所有薄板冲压成型件均采用四边形Quads和三节点三角形Trias壳单元，单元尺寸控制在4～17 mm，平均单元尺寸控制在10 mm，壳单元共14 749个，三角形单元1 025个，占6.95%（<8%）；采用刚性的RBE2单元模拟焊点，weld焊点共87个，同时用Rigid模拟螺栓连接，刚性连接点共145个，最后定义各零件的材料属性［4］。建立的车门有限元模型如图2所示。

图1 车门三维CAD模型

图2 车门有限元模型

2 车门静态刚度有限元分析

2.1 车门自由模态分析

左前车门作为整车中非常重要的一个结构部件，在设计时，其一阶固有频率应该避开道路激励频率、传动轴激励频率以及发动机激励频率，从而避免发生共振，产生振动噪声，影响乘员舒适性。

对车门进行自由模态分析时，车门处于无约束和无加载工况，求解得到前4阶自由模态固有频率和振型，如表1所示。

表1 车门模态计算结果

从分析得到结果看，第一阶模态仅有23.4 Hz，频率值偏低，为避免共振现象应该进行改进。

2.2 车门下沉刚度分析

由于对车门刚度的评价没有相应的标准法规，所以在对该车车门的下沉刚度分析中，需要参考典型车车门的特征值来判断其下沉刚度是否满足要求。参照实验规定要求，车门除受重力外，在车门内侧把手处施加1000N垂直向下的载荷，并在车门铰链处进行全约束，对车门开启15°和68°两种工况进行分析，分析结果如图3、图4所示。

分析得出加载点在车门开启15°和68°时，残余变形分别为4.0mm和2.76mm；最大变形为11.2mm和9.1mm，而一般对车门的下沉要求是小于2 mm，表明该车门的下沉刚度较差。由应力云图可知，引起残余变形的主要原因是车身前门铰链安装位置的塑性变形。

2.3 车门扭转刚度分析

结合车门的结构特点及技术要求，考虑到车门前端的刚度要大于后端的刚度，从而确定计算车门扭转刚度的约束和加载方式:约束方式均为车门铰链处，Dx=0、Dy=0、Dz=0，Rx=0、Ry=0；门锁处，Dx=0、Dy=0，Dz=0；加载方式为：

图3 车门加载点位移

图4 车门铰链安装位置应力云图

工况1：在车门内板右上角施加大小为183 N的Y向节点力；

工况2：在车门内板右下角施加大小为183 N的Y向节点力。

两种工况的Y向位移云图如图5所示，Y向位移分别为6.32 mm和0.82 mm，由工况1、2下的最大位移量计算，得到扭转刚度分别为29 N/mm和223 N/mm。

图5 两种工况下Y向位移云图

3 结语

在车门的结构设计中，车门刚度是车门设计的重要性能参数之一，是车门性能的主要评价指标。车门的结构性能要求除了要有必要的开度、密封性、工艺性好外，最重要的是要安全可靠，满足刚度、强度以及小的振动性能的要求。本文利用有限元方法，对某款SUV前车门的静态刚度进行了分析计算，发现该车门在其结构设计中存在缺陷，这对车门今后的改进具有一定的指导意义。

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