车门限位器安装面强度基于ABAQUS有限元的应用及分析

谭黎浩雅

（曼彻斯特大学机械、航空航天和土木工程学院机械工程设计专业 英国曼彻斯特 M13 9PL）

引言

随着人类科技的不断进步和人们生活水平的日益提高，消费者对汽车品牌及其舒适性和安全性要求越来越高。作为汽车(尤其是乘用车、轿车)车身系统的重要组成部分，车门在实际使用过程中开闭频率颇高，需有较高的强度和动态特性，故其性能优劣关乎整车质量。

汽车车身内部是一相对密闭的空间，其作用是隔绝噪声、保护乘员的安全。车门是车身中使用频率较高的开闭件，因频繁开闭导致的疲劳损伤是其最常见的问题。所以车门开闭耐久试验必不可少，它不仅可检测车门及相关部件的安全可靠性，还可检测其机械结构设计是否合理，从而为工程师进一步优化设计提供依据，这也是车企开发新车型的必要环节。

一、开闭耐久试验及其影响

车门开闭耐久试验是基于用户使用习惯和环境数据基础之下，通过模拟客户使用车门动作的长周期系统级试验来验证使用效果是否符合设计要求。该试验的对象不仅仅是车身或外饰，还涉及内饰和电子零部件等[1]。该试验周期定义为：内把手或外把手解锁，车门打开，内把手或外把手复位，开启位置保持一段时间，车门关闭直至上锁，再保持一段时间，即完成一个周期。

表面上看该试验并不复杂，但其需要达到的条件是：在完成十万次试验周期之后，车门、车身及其他相关部件务必完好无损。不仅如此，工程师须在进行耐久试验之前开发试验台架，该台架要能模拟用户的实际使用状况。但从搭建试验台架到完成测试至少需耗时二十八个工作日，且若任意零件在实验期间损坏则表示测试失败，须修正试验方案后重新实验，如此反复直至达到要求为止。显然这将延长车门的开发周期，增加车企研发成本，降低生成效率。

那有何适用而有效的方法来改进这项实验呢？有限元静力学分析法可在试验前对车门及车身限位器安装区域进行结构分析，并由此获得可满足试验要求的结构设计，以节省试验资源和缩短车门零部件的开发周期。

二、ABAQUS有限元法及数值模拟技术

（一）有限单元法原理

目前，在实际工程应用中常用的数值求解方法有三种，即有限单元法、有限差分法、边界单元法以及加权残数法[2]。随着计算机技术的日益发展，有限单元法已成为使用最为广泛而行之有效的数值计算法，它几乎被应用于所有的弹塑性结构静力学及动力学相关领域。

有限单元法的基本思想原理最早见于20世纪40年代初，其理论思想直至三十年后基本成熟，并逐渐形成用于商业化的有限元软件系统。其理论基础是将计算域划分为有限个互不重叠的单元，并在每个单元内选择合适的节点作为求解函数的插值点，再将微分方程中的变量改为由各变量或其导数的节点值与所选插值函数组成的线性表达式，并借助变分原理或加权余量法将微分方程离散求解。

（二）ABAQUS模拟系统

有限单元法分析的实现介质主要是有限元分析软件。目前通用的软件主要有：ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP、ABAQUS等。其中，ABAQUS是一套基于工艺模拟系统，专门用于分析各种金属成形过程的三维(3D)流动，它能够提供极有价值的工艺分析数据，也是本文关于车门限位器安装面应力强度研究的基础软件工具。

该系统集成的自动网格重划生成器可生成优化的网格系统，具有灵活而丰富的界面，它不仅可以给用户准备输入的数据和观察结果提供有效工具，还能提供三维几何操纵修正工具。ABAQUS系统主要包括前处理器、求解器和后处理器三个部分。前处理器的主要功能是用于建立有限元模型；求解器主要用于施加载荷及约束，进行求解；后处理器能提供多种处理云图和数据方法，快速获得准确的分析结果，并以路线为主线分别说明路径建立、曲线生成及输出高质量图像。

三、有限元法在汽车结构分析中的应用

英国工程力学和计算力学家辛克维奇(Olgierd Cecil Zienkiewicz，1920-2009，有限元法的先驱之一)于1967年出版的《The Finite Element Method》[3]一书是最早、最著名的有限元经典之作，该书阐述的内容从结构、固体拓展至流体，是为全世界几代研究固体力学的师生和工程师必读之书。1975年，Zienkiewicz基于强度储备概念提出了强度折减法，只是由于当时计算机技术相对落后，限制了该方法的使用与传播而未能得到广泛应用。此后，随着计算机技术和有限元理论的日趋成熟，一些学者又提出了新的有限元强度折减理论，并将其应用到包括汽车行业在内的各种领域。

在汽车结构分析中，由于有限元法具有独特的优势，它几乎能够解决任意力学问题，无论是结构形状还是边界条件等。有限元分析在汽车结构领域的应用体现于：一，对所有结构件、主要机械零部件的刚度、强度及稳定性进行分析；二，在计算机辅助和优化设计中，有限元法是最常用的结构分析工具；三，有限元法进行各构件模态分析是一种常态，它可以让各构件的振动模态在电脑屏幕直观再现，还可计算出各构件的动态响应，从而较真实地描绘其动态过程，为汽车零部件结构的动态设计提供有效工具。

四、限位器安装面受力准静态分析

众所周知，即便汽车驻车在一定坡度上，车门限位器仍可限制车门开启的角度。显然，这要求车门即便达到设计开门角度时也不会自闭或自开，可见车门限位器的力学性能是评价车门设计和使用性能的重要指标之一，它制约着车门开闭过程中的轻便与灵活性。因此，保证该零部件拥有良好的力学与使用性能是车门设计与开发中不可忽视的重要目标。

图4-1

采用ABAQUS系统进行准静态分析时，我们可将其理解为采用慢速动态分析模拟静态问题。若系统之惯性效应对结果影响不大，则可用此法分析。该应用所采用的积分法为向后欧拉时间积分法，即：

上述三式中，系统位移μ，时间t，时间增量Δt，系统速度v，系统加速度α，残余力R，系统质量M，系统内力I，外载荷P。本法要求加载时间足够长，且计算结果须考核系统动能在内能中的占比。

通过对车门的模态分析可反应出车门结构的振动共性，从而便于避免在行驶过程中出现外部激励频率。对车门采用自由组合边界法进行模型分析，较低阶段的模型频率对车门的活动性特征影响在上述条件中较大。车门限位器一般分为拉杆式限位器（又称为盒式限位器）和扭杆弹簧式限位器两种类型。此文章使用拉杆式限位器作为研究目标。当车门推至最大开度时，缓冲块运行处于最大行程，并与限位器盒接触，从而实现限位功能。试验中，车门因惯性作用仍有外开之势，限位器臂杆起到二力杆之作用，臂杆轴向力一端通过缓冲块与限位器盒接触，并将该轴向力传递给车门限位器加强板及车门内板，其另一端通过安装支架将力量继续传递给车身侧围外板及加强板。可见，在每个开闭循环过程中，车门及车身限位器安装面受力最大位置必为车门最大开度之处。

五、模拟分析与及试验效果

（一）汽车车门有限元模型[4]

车门有限元模型的建立主要包括三维实体模型、曲面提取、模型简化、有限元网格划分及定义载荷与边界条件等。其过程相对复杂，实现其功能需要付出很大的工作量。实际应用中，在车门处于最大开度时，限位器两端的连接部件受力最大，我们可以此建立有限元物理模型，如图5.1-1和5.1-2所示：

图5.1-1 限位器有限元模型

图5.1-2 车门以及铰链和限位器有限元模型

此时，汽车车门开启角达到65°，位于最大开启角位置。若我们在车门外开手柄处，沿车门开启向施加100牛顿的荷载，那么试验荷载可根据试验台架的最大运行速度和车门质量求得。建立车门、铰链以及限位器的有限元模型，并在截取位置约束六个方向自由度来模拟铰链以及限位器的安装固定。车门钣金件选用6000系列的6022铝合金材料冲压而成，其密度为2.86×103kg/m3，杨氏模量为69GPa，泊松比为0.3。铰链以及限位器材料选择为一般的合金钢，材料属性为：密度7.86×103kg/m3，杨氏模量212GPa，泊松比0.288。

假设使用混合壳体单元模拟车门钣金件，用四面体单元为主的实体单元模拟车门铰链以及限位器，使用HYPERMESH进行模型前处理，以 HINGE 单元位于车门铰链和限位器铰链设计轴线的前提下，以HINGE 单元模拟铰链及限位器的转动销。简化螺栓模型，创建不带螺纹的实体螺栓模型，设定实际螺纹形状有关的参数，模拟真实的螺栓连接接触状况。此时模型一共涵盖890989个单元，C3D10单元19010，871395个C3D10单元，19010个S4R单元，584个S3单元。

在模型中建立多处接触：①车身侧铰链；②限位器盒以及缓冲垫，用以模拟汽车车门打开时的真实状况。所用的计算方式是基于ABAQUS下的非线性静力学求解器。

（二）铰链门开闭耐久试验及符合要求

汽车开闭件主要包括“四门两盖”等相关金属结构件，其制造工艺涉及零件冲压、包边焊接、零部件装配、总成组装等工序，这对尺寸配合及工艺技术要求甚为严格。其中，由于汽车车门使用最为频繁，所以其耐久性要求更高。

在本试验中，试验标的车门将按设计状态装配置全部部件，工程师用解锁设备操作外开手柄或内开手柄，并将车门推至最大开度，再按既定的关门速度推动铰链门至关闭为一个试验周期，如此往复循环。在此试验过程中，车门由内启和从外开启试验各完成5000—7000次。该试验目的在于考核铰链门总成及其相关零部件满足耐久性设计要求与否。符合要求条件是：试验过程中，锁系统、升降器系统、限位器、铰链等各零部件完全能正常使用；试验结束后，各系统及相关部件依然能正常操作，车门、车身钣金件和焊点无开裂情况。

（三）影响铰链门开闭耐久试验的要素

如果对同批次、同生产线上的零件进行试验，且其物理状态（尺寸及缺口效应、零件及其表面热处理、表面粗糙程度、残余应力应变等）和材料成分（化学成分、金相组织、内部缺陷分布等）均相同，其耐久性时间主要受工况条件的影响[5]。

其实在用户实际使用过程中，影响车门耐久性能除了关门速度之外，还有使用频率和环境因素[6]。所以只有将这三大要素的试验状况无限接近用户的真实使用情况，并在试验中进行数万次不同条件下的开闭耐久试验，才能获得最佳的试验数据，从而使产品的设计使用寿命与用户实际使用的寿命完美接近。

①关门速度

◆影响最小关门速度的因素

无论何种车型，它们都有自己的最小关门速度，即该车可将密闭性较好的整车车门完全关闭的最小速度，这是考核车门舒适性的一个重要指标。当前，大多数新车的最小关门速度 V关门min≤1.1～1.3 m/s。不过，由于耐久试验中的关门速度远大于整车的最小关门速度，且通常是四个车门同时进行试验。也即是说，在试验过程中只要开启任何一个车门，车体内部就变成一个非密闭空间，而且很多车企用来试验的车辆本来也并不是密封性非常好的整车。在此条件下，由于缺汽车车内并非密闭空间，空气对车门关闭形成的阻力减弱[7]，车辆的最小关门速度将减少30%～50%。现在，我们假如以某车企的某新车型为例，分别开启其他三个车窗时，测量其驾驶员侧车门的最小关门速度，其数据统计结果如表5.3.1-1所示。

表5.3.1-1 某车企新车型最小关门速度

简单地说，汽车的密闭性越好，其车门的最小关门速度越大，关门需要施加的外力越大。同理，在最小关门速度减小的情况下，原最小关门速度也必然能够保证耐久试验中每个循环完全关闭车门。通常，越高端的车型，其密闭性越好，由于较大的关门速度将对车门钣金、锁系统、密封系统等零件造成过度的冲击和损伤，那车企势必增加了零部件成本，所以高端车型的总成本更高就成为一种必然。

◆耐久试验中的关门速度[8]

即便是同一车型，其使用人群的身高、关门力量皆有差异。所以为了客观而精确模拟用户关车门时的速度，我们抽选数十个不同身高的男女对不同车型进行试验来模拟用户重复关闭车门，并将测试数据录入测试系统以备后续分析。

若各车型所测关门速度V满足正态分布N( μ，σ2)，其中 μ 为总体均数；σ为总体标准差。再假如模拟用户数量为a，每人车门关闭次数为b。那么试验获得的数据为 N = a × b，分别记为 V1、V2……VN。

为了保证采样数据准确可靠，a、b的数值在条件允许时尽可能取大数字。N个数据的均值 μ 和标准差 σ 为：

图 5.3-1-2

为保证测试数据能精准涵盖绝大多数实际用户，我们将耐久试验中车门关闭速度分布在90%的置信区间，即：μ-1.64σ≤V≤μ + 1.64σ，如图5.3-1-2所示。若将用较大速度关门的极少数用户暂时标定为“滥用”，并在耐久试验后进行滥用试验，其车门关闭速度应分布在99%的置信区间外：V＞μ+2.58σ，此部分试验目的是保证车门无论在哪种用户的长期使用下，其性能都能保持完好。

②关闭频率与使用环境

车门开闭频率与使用环境也是影响耐久试验结果的重要因素，但这两点并不是本文研究的重点，所以此处仅作简略介绍。

在耐久试验中，车门开闭的总次数应大于汽车到报废前的总开闭次数，并在此基础上进行安全评估。若用户仅上下班用车，每天开闭车门次数为8-12次，每年为2920-4380次。若使用年限按15年计，则车门开关总次数为43800-65700次。据国家商务部近年颁发的《机动车强制报废标准规定》，家用轿车报废新规改为“限60万公里”。若家用轿车使用15年以上，需每半年年检一次；若行驶超过60万公里则每三个月年检一次。虽然新规可能对车门开闭的次数有一定影响，但耐久试验使用总次数依然将其涵盖。

从使用环境看，由于车门处橡胶和塑料件的使用特性随温度变化而变化，因此耐热和耐寒性环境因素试验也必不可少。中国幅员辽阔，各地温差较大，如重庆的炎热、黑河的严寒、海南的潮湿等都在试验考虑范围之内。

六、导致安装面开裂的成因

一般而言，一体式结构是传统车门铰链加强板的通用方式。加强板覆盖区域较大，上下铰链区域受力均匀，内板受力较小，这是其优点。但其缺点同样明显，由于零部件材料利用率相对较低，质量相对增大，冲压成型难度增加。所以与整体式铰链加强板比较，分体式铰链加强板受力区域采用分开设计，各零部件相应部位可采用不同厚度，其结构比重减少20%，零件材料利用率得以提高；但另一方面，由于其上下结构分开，中间区域的刚度较弱，且不连续，比较容易形成应力集中区域。此外，因车门限位器加强板面积较小，无法将载荷有效传递至内板大面积区域，内板仅安装凸台区域可受力，从而导致特征线上应力集中，最终引发开裂。

七、试验结论

通过车门开闭耐久试验模型准确模拟车门的关闭过程，能够获得限位器安装面的应力数据分布结果。基于ABAQUS的分析法可在试验前分析安装面结构设计是否满足要求，并将新车型车门（或其他开闭件）开闭耐久试验结果与模拟结果比较，有利于检验模型的精确性。通过对车门内板结构应力分布和钣金疲劳寿命分布分析得出，安装面金属疲劳是导致其开裂的重要原因。在有限元模型基础上，局部结构优化和修改零部件厚度的方法能够优化结构并在一定程度上解决其开裂问题，从而调和高性能、低成本与轻量化的矛盾，并通过该试验检验设计方案的可靠性。

其实，作为通用的模拟工具，ABAQUS远不止用于汽车领域。由于它拥有大量可模拟任意几何形状的单元库和海量材料模型库，所以除了能解决结构应力问题，还可模拟力学分析、热传导、结构的固有频率提取、质量扩散、热电耦合分及压电介质分析等诸多工程领域的相关问题。此外，ABAQUS的二次开发亦是ABAQUS使用者较热衷研究的项目。由于可通过对ABAQUS提供的用户子程序进行开发，还可与其他商业软件接口处理，进行ABAQUS的二次开发，从而满足用户需要，此开放性设计使ABAQUS的广泛性与实用性得以大幅提升。