基于ABAQUS的车门限位器安装面强度分析及结果优化

2018-08-14顾晓丹刘高领

汽车零部件 2018年7期

顾晓丹，刘高领

(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心,广西柳州 545007)

0 引言

汽车车门在实际使用过程中开关频率较高，车门的开关耐久试验是新车型开发过程中的一个必需环节。试验要求在完成10万次的开关耐久试验以后，车门以及车身相关部件不得有损坏。但是该项试验试验周期长，从试验台架的搭建开始到最后完成试验至少需要28个工作日，期间如果有任意零件损坏则该项试验均不通过，需要重新修改方案再进行试验验证,如此长周期的验证工作大大延长了车门的开发周期。文中提出一种有限元静力学分析方法,可以在试验前对车门及车身限位器安装区域进行结构分析，由此得出能够满足试验要求的结构，保证试验一次性通过，节省试验资源，缩短零件开发周期。

1 限位器安装面受力分析及有限元分析流程

1.1 限位器安装面受力分析

限位器具有两个功能：(1)限制车门的最大开度；(2)门半开和全开时的停位功能。限位器结构如图1所示。

图1 铰链门限位器结构示意图

限位器安装在上下铰链之间，如图2(a)所示。图2(b)所示为车门关闭时限位器与车门配合状态，此时臂杆在限位器盒中可以自由滑行，车门及车身侧限位器安装面不受力。

图2 限位器工作原理

图2(c)所示为车门开到最大开度时限位器与车门配合状态，此时缓冲块运行至最大行程与限位器盒发生接触，起到限位作用。在试验时，当车门开至最大开度时虽然有限位器的限位作用，但是由于惯性作用车门仍然有继续外开的趋势，限位器臂杆此时起到二力杆的作用，臂杆的轴向力一端通过缓冲块与限位器盒的接触传递给车门限位器加强板和车门内板，另一端通过安装支架传递给车身侧围外板及加强板。由此判断在车门一个开闭循环过程中，车门在最大开度位置时，车门及车身限位器安装面受力最大。

1.2 有限元分析流程

目前国内汽车零部件的设计已经从主要依靠经验逐渐发展到应用有限元方法进行强度计算和分析阶段。图3所示为此案例有限元分析及优化流程图。

图3 铰链门限位器安装面强度分析及优化流程图

2 仿真分析与试验对比

2.1 有限元仿真

上文已经提及当车门开启到最大开度时，限位器两端连接部件受力最大，由此物理模型建立的有限元模型如图4所示，车门位于最大开启角度68°位置，在车门外开手柄处沿车门开启方向施加载荷100 N，载荷大小是根据试验台架的最大运行速度以及车门的质量计算得出。白车身截取范围距离铰链安装点X向前后500 mm、Y向500 mm，并在截取位置约束6个方向自由度。

图4 有限元模型

车身及车门的钣金件采用以四边形为主的混合壳单元模拟,四边形单元类型采用S4R，三角形单元类型采用S3R。车门铰链及限位器臂杆采用以八节点六面体单元为主的实体单元模拟,六面体单元类型采用C3D8I，四面体单元类型采用C3D4。铰链及限位器转动销采用HINGE单元模拟，同时必须保证HINGE单元位于车门铰链和限位器铰链的设计轴线上。焊点与黏胶采用实体单元模型，模型中螺栓连接的位置采用刚性单元RIGID模拟，单元类型采用KINCOUP。此模型包含节点92 744个，单元88 911个。

表1是车门及车身与限位器连接各个零件的材料厚度及其屈服应力值。

表1 零件材料属性

为了保证分析的真实性还需要在模型中建立多处接触，防止穿透。建立接触的位置通常是在受力过程中两个或者多个零件会发生接触的位置。在该模型中建立了以下几处接触：

(1)车门侧铰链与车身侧铰链；

(2)限位器安装支架与侧围外板、B柱加强板及B柱下加强板；

(3)限位器盒与车门加强板及内板；

(4)缓冲垫与限位器盒。

以上接触方式均采用Contact Pair类型。

计算采用ABAQUS非线性静力学求解器。

2.2 应力评价

采用Mises应力作为评价标准,表达式为:

(1)

对于塑性材料，当应力超过屈服极限时，变形较大且不能恢复，因此零件的最大应力不允许超过屈服极限。通常按照公式(2)对塑性材料的许用应力进行规定：

[σ]=σs/n

(2)

式中：σ是材料许用应力；σs是材料屈服极限；n是安全系数，根据经验此案例中选取安全系数为1.2。

2.3 铰链门开闭耐久试验

试验中车门按照设计状态装配上所有零件，利用解锁机构操作外开手柄或者内开手柄，并将车门推动至最大开度位置，再按照一定的关门速度推动铰链门至关闭，如此为一次循环试验。内开开启和外开开启试验各完成50 000次，该试验用于考核铰链门总成及其相关零件是否满足耐久性要求。试验要求:试验完成后锁系统、升降器系统、限位器、铰链等各个功能零件使用正常，能够正常操作，车门、车身钣金件和焊点不得有开裂。

2.4 仿真结果与试验结果对比

某车型铰链门在开闭耐久试验进行至41 000次左右时，发现车门侧限位器安装面内板开裂，如图5所示。仿真计算得出限位器安装区域各零件应力大小及分布如图6所示。

图5 试验车门内板开裂

图6 车门及车身限位器安装区域各零件应力云图

仿真结果显示：车身侧各零件最大应力均没有超过屈服极限，满足强度要求；车门内板及限位器加强板的应力已经超过屈服极限，内板应力分布与试验开裂位置相符，如图5和图6(a)所示，证明了有限元模型的精度较高,可以在此有限元模型基础上进行结构优化。

3 开裂原因分析及结果优化

3.1 开裂原因分析

传统车门铰链加强板采用一体式结构，如图7(a)所示。这种结构的优点是加强板覆盖区域较大，上下铰链区域受力较均匀，内板受力较小；缺点是零件材料利用率低，质量大，冲压成型困难等。此案例车门采用分体式铰链加强板结构，如图7(b)所示。这种设计的优点是受力区域分开设计，各部位可以采用不同厚度，相比原来结构减重20%，零件材料利用率较高；缺点是上下结构分开，中间分开区域刚度较弱，刚度不连续，容易形成应力集中区域。此案例中，车门限位器加强板面积较小，无法将载荷有效地传递至内板大面积区域，内板仅有安装凸台区域受力，导致特征线上应力集中而发生开裂。

图7 整体式与分体式铰链加强板结构区别

3.2 结果优化

针对钣金件开裂，优化方法通常有增加钣金件厚度、优化局部结构、优化焊点布置、更换材料等。考虑到车门内板的成形性及修改模具因素，排除更换材料的优化方式。下面分别采用前面3种优化方式解决开裂，并对各个方案进行质量、成本估算以确定最优方案。

优化方案一，内板厚度由0.65 mm增加至0.8mm，限位器加强板厚度不变。

优化方案二，内板厚度不变，加强板厚度由1.4 mm增加至1.8 mm。

优化方案三，内板及限位器加强板厚度不变，对限位器加强板进行结构和焊点布置优化，如图8所示。

方案三是将原来两块加强板(限位器加强板和下铰链加强板)合并成一个整体加强板。结构更改的同时也将原来焊点重新布置，这种结构可以有效避免两块加强板之间刚度不连续的现象，载荷可以通过加强板传递至内板较大区域，不再出现安装面局部受力的情况。该方案还可以减少车门零件数量，焊接时减少一个焊接工位，减少人力成本。