某自主品牌商务车前门静刚度的有限元分析

李纪雄，罗朝晖，刘　军

（1.佛山科学技术学院，广东佛山528000；2.比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518000）

某自主品牌商务车前门静刚度的有限元分析

李纪雄1，罗朝晖2，刘军1

（1.佛山科学技术学院，广东佛山528000；2.比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳518000）

利用Hyperworks和Nastran软件对某自主品牌商务车前门进行有限元建模和静刚度特性分析。结果表明，该车前车门窗框的横向刚度和窗台挤压刚度较弱。此分析结果为新车门结构的进一步设计、优化提供参考。

商务车；自主品牌；前门静刚度；有限元分析

商务车前门是乘员和物品进出的通道，它对车身系统的安全性和舒适性有着较大的影响［1-2］。行驶过程中，车门不得因振动、碰撞等情况而自动打开；事故发生后，车门不得因变形而打不开。这些要求恰恰与车门的刚度特性相关［3］。如果车门刚度较弱，将会导致车门窗台边角处变形量较大、车门下沉、车门卡死、漏风渗水等现象发生，甚至还会影响车门锁、车门升降器等操纵附件的性能［4-5］。所以车门刚度是一项十分重要的参数，本文采用有限元模拟仿真方法对某自主品牌商务车前门静刚度特性进行研究，以指导和改进前车门的设计。

1　有限元刚度分析基本理论

前车门主要是由薄板冲压的钣金件组成。这些件的长度方向尺寸远大于厚度方向的尺寸，故其符合壳单元的理论假设，可采用壳单元模拟各钣金构件。对这些壳单元的刚度进行有限元的计算分析，一般需要以下几个

步骤［6-8］：

1）绘出前门钣金件的结构几何图，在此基础上进行离散化，即采用有限个壳单元网格进行近似表述。

2）用位移模式对单元节点的位移函数进行表示，其位移矩阵可描述为

｛u｝=｛N｝｛δ｝e。式中：｛u｝为单元内任一点位移；｛N｝为形函数；｛δ｝e为单元节点位移。

3）单元应变、单元应力、节点力的分析。单元应变关于节点位移的表达式为

｛ε｝=［B］｛δ｝e。式中：［B］为单元应变矩阵。

单元应力关于节点的位移可由本构方程得

｛σ｝=［D］［B］｛δ｝e。式中：［D］为弹性矩阵与单元材料相关。

节点力与位移之间的关系可由变分原理得

｛F｝e=｛k｝e｛δ｝e式中：｛k｝e为单元刚度矩阵，可表示为

｛k｝e=∫［B］T［D］［B］dxdydz。

4）平衡方程和刚度矩阵。平衡方程可描述为

｛k｝｛δ｝=｛F｝。式中：｛k｝为总体刚度矩阵。

5）依据平衡方程组，可得出节点位移大小，再通过方程式求解出节点、单元的应变与应力值，由此可进行后续的刚度计算，其计算式可描述为Kd=F/△l。式中：Kd为门的静刚度；F为集中作用载荷；△l为被测点位移的大小。

2　前门静态刚度仿真分析

2.1前门有限元模型的建立

有限元模型的建立一般分为几何建模、网格划分和物理建模三方面［9-10］。由于该商务车的前门全部钣金件可采用四边形和三角形板壳单元来模拟，因此对其原几何结构进行适当简化，得到适合划分网格的简化几何模型。前门有限元模型建立的基本属性情况如表1所示，其中门上某些小件和狭长件，如玻璃导轨的单元基准长度取为5mm。前门中部件间的焊点利用多点约束中的刚性连接来近似模拟，刚性连接和与其相连的结点周围的单元近似垂直。对于钎焊、熔化焊及压边利用结点重合方式进行连接。在每个约束点和载荷点施加网型刚体，如图1所示。

表1　前门有限元模型建立的基本属性

前车门所有钣金件共划分了44 872个壳单元，其中三角形单元比例为4.91%，满足小于9%比例的参考值要求（企业标准）。最终建立的前车门有限元模型质量为17.1 kg，重心坐标为（1 081，804，380），如图2所示。

2.2前门静刚度分析工况的建立

商务车前门在使用过程中需抵抗外部载荷的作用，这就需要其对应部位有一定的抵抗变形能力，即刚度。前门在使用过程中涉及工况主要包括边角工况、中部工况、扭转工况、安装工况和下沉工况，与其一一对应的静刚度则为门窗框的横向刚度、门纵向刚度、门窗台挤压刚度、门扭转刚度、门安装刚度、门下垂刚度［11-12］。由此可得前门静刚度各工况的边界条件：约束位置和自由度、作用载荷位置和加载大小设定值分别如表2所示，其中相对应的门窗框的横向刚度、门窗台挤压刚度、门扭转刚度、门纵向刚度的分析模型工况边界条件分别如图3-图6所示。

表2　前门刚度分析工况设定

2.3前门静刚度计算结果及分析

前门静刚度的计算以有限元刚度分析理论为基础，借助于有限元软件Hyperworks和Nastran进行仿真计算得到的值如表3所示。其中前门门下垂分为单车门和车门与白车身两种情况，各方向的位移和合成的最大位移仿真值如表4所示，其变形云如图7所示。从图可以看出，位移值较大区域主要在窗框处。

表3　商务车前门静刚度分析结果

对以上表3、表4分析结果和企业数据积累参考值要求进行对比，可看出，前车门纵向刚度、扭转刚度、门安装刚度和门下垂刚度均满足企业参考值要求的标准，刚度性能良好；而窗框的横向刚度和窗台挤压刚度没有达到要求，这两项刚度性能较弱。

3　结论

从2.3前门静刚度计算结果及分析，可得提高同类前车门结构刚度的建议：

1）针对窗框的横向刚度较弱的改进，由于此处是模拟门窗框的变形进行的一个静态变形分析，因此可以尝试采用更高强度的钢以提高门窗框抵抗静态变形的能力。

2）针对窗台挤压刚度较弱的改进，由于此处是模拟门窗台受挤压的变形进行的门外板和门内板两侧相对作用载荷的静态变形分析，因此，可以增加此处钢板厚度或采用更高强度的材料以提高窗台抵抗挤压静态变形的能力。

3）针对窗框和窗台刚度较弱，可以尝试把这两个区域作为结构优化的主要区域，通过以刚度性能作为优化目标，再考虑模态、质量等约束性能，寻找合适的结构作为进一步的改进方案。

［1］刘自侠.汽车车门设计的探讨［J］.天津汽车，2002（2）：20-22.

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［3］乌春霞.汽车车门刚度的仿真分析与试验研究［D］.长春：吉林大学，2007.12.

［4］Fernando Domingues Pereira，Gilberto Francisco Martha de Souza.Automotive Door Closing Efforts Study.SAE Paper 2010-36-0924，2010.

［5］黄天泽，黄金陵.汽车车身结构与设计［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［6］库克.有限元分析的概念与应用［M］.西安：西安交通大学出版社，2007.9.

［7］高云凯.汽车车身结构分析［M］.北京：北京理工大学出版社，2006.

［8］谭继锦，张代胜.汽车结构有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2009.11.

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［10］李楚琳，张胜兰，冯缨.Hyperworks分析应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［11］席佳东，朱学华，何镇罡.某轻型客车白车身静刚度试验研究与分析［J］.公路与汽运，2013（5）.

［12］2012年欧洲车身会议演讲集［C］.汽车轻量化技术创新战略联盟：中国汽车工程学会，2012.

修改稿日期：2016-02-17

Finite Element Analysis on Static Stiffness Characteristics of Front Door of a Own-brand Commercial Vehicle

Li Jixiong1，Luo Zhaohui2，Liu Jun1
（1.Foshan University，Foshan 528000，China；2.BYD Automobile Industry Co.，Ltd，Shenzhen 518000，China）

The finite element modeling and analysis on static stiffness characteristics are completed for the front door of an own-brand commercial vehicle by the Hyper works software and the Nastran software.The results show that the lateral rigidity of window frame and the squeeze stiffness of windowsill are weak on the vehicle front door. The analysis results provide some references for the further design and optimization on the new door structure.

commercial vehicle；own-brand；front door static rigidity；finite element analysis

U463.83+4；O242.21

A

1006-3331（2016）03-0007-03

佛山市科学技术局电动汽车科研基础创新平台建设项目（项目编号：2014AG10012）

李纪雄（1975-），男，讲师；主要从事车辆工程科研和教学工作。