汽车车门刚度抗压强度分析试验研究

韦芳兰 陆新育 陆伸瑞 谭智 谭耀欢 石才将

摘 要：车身及零部件刚度是汽车的重要力学性能之一利用三维设计软件中建立了白车身的几何三维模型、采用 CAE 分祈软件建立白车身有展元模型，用有限元理论分析静态工况下承载式桥车白车身的用度特性、通过对其弯曲、扭转刚度的分析，研究车身结构不同部住的受力特性，验证理论建模分析的合理性和可靠性，为结构设计和落足轻量化要求提供必要的依据和支撑。

关键词：刚度试验;弯曲、扭转刚度分析：有限元分析

前言：汽车车身大多数采用全承载式结构，承载式车身几乎承载了轿车使用过程中的所有载荷，主要包括扭转、弯曲等载荷，在这些载荷的作用下，车身的刚NVH度特性则尤显重要。车身刚度不合理，将直接景细轿车的可靠性、安全性、性能等关键性指标，白车身的弯曲刚度和扭转刚度分析是整车开发设计过程中必不可少的环节。本文通过和试验方案对比，提出了用于刚度分析的有限元分析该模型的抗凹刚度，并通过实验，得出抗凹刚度较小的点，以减少这些测点的变形量为目标。

1、白车身刚度特性概述

白车身部件的刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可由车身的最大垂直挠度来衡量;扭转刚度由车身轴间相对扭转角来衡量。

1.1扭转刚度：当车身上作用有非对称垂直载荷时，结构处于扭转工况，将使车身产生扭转变形，结构的变形 程 度 与 结 构 上 所 受 到 的 力 及 结 构 的 扭 转 刚 度 有 关 。此时扭转刚度为单位扭转角所受到的力。

1.2弯曲刚度：当车身上作用有对称垂直载荷时，结构处于 弯曲工况，其弯曲刚度由车身底架的最大垂直挠度来评价 。

2、车门抗凹刚度试验分析

2.1 车门有限元抗凹刚度分析

在三维CAD模型导入前，对一些复杂模型进行简化处理，忽略对整体力学性能影响较小的几何细节，如直径较小的孔、过度圆角和倒 角及螺栓，以获得较好的网络质量，提高求解精度。

2.2单元选取与网格划分

在有限元模型的建立过程中，定义当车门安装在车身并保持关闭状态时，车门坐标系与汽车坐标系相同。车门所有薄板冲压成型件均采用四边形和三节点三角形壳单元，平均长度控制在15 mm左右，壳单元共23736个，三角形单元1059个，占4.46%（< 5 %），同时用rigid模拟螺栓连接和点焊，rigid单元共822个司。各零件通过提取中面后再划分网格，其厚度在材料属性中输入。

2.3抗凹刚度分析

车门外板等较平坦的覆盖件，应具有适宜的抗凹刚度，当用手触压车门外板时，如果较小的力也会产生挠曲，给人以柔软感和鼓瘪感，外板的刚度就是定量地描述这种感觉。对车门外板施加集中载荷时的载荷变形曲线的斜度用以定量评价表面的柔軟感。根据上述，车门抗凹刚度是指车门外板抵抗人为触摸按压的静态载荷能力。与试验测点相同的位置处，在有限元车门模型上施加y向载荷400N，给出了在最大载 荷400N时，试验测点与模型测点的最大变形量。车门测点加载和约束位置。

3、车门刚度抗压强度试验方法

3.1检查试验样件

检查完试验台后，需要对样件也进行检测。检查样件的外观状态是否完好，同时根据样件的外观形态需确定好其固定方式，需注意的是整车必须先拆除车轮才能固定进行试验。

3.2 确定车辆的加载状态

当样件放到支撑夹具上后，需通过测量支撑高度和支点距离来确定车辆的倾角与俯仰角度，即车辆的加载状态。

3.3 划线

车门锁好，车窗升至顶部，在车身的显著位置划出纵向对称线，按照相应要求同时划出距离车门低端127mm的水平线（与设备加载装置下边线重合）和该水平线被车门轮廓截取线段的中点，然后过该点划出铅垂线在车门上的投影线。

3.4确定加载头的高度

根据画出的加载最低水平线到车窗的距离确定加载头的高度（加载头顶端表面高出车门车窗底部边缘至少13mm）

3.5标记受力部位

根据车门结构特征，可以得出受力部位包括加强筋、铰链、门锁等，试验之前这些部位需要进行标记处理。

3.6固定车身

车身固定在整个试验过程中属于相当关键的环节，主要步骤如下：调节车身使它与设备平行，并且要使车门上白胶带与加载头的中心线重合;在四个基础支撑上先固定四个张紧器，四个张紧器左右对称并且同时张紧;安装固定两个纵梁侧挡，位置为贴紧前后轴附近的车身纵梁;加载侧B柱下方需要固定一个支撑同时可以起到侧挡作用;非加载侧前中后各固定三个支撑同时也起到侧挡作用;在前机盖部位平坦处与后背箱上方平坦处各取一处分别安装一套车身固定装置，需要注意的是压紧装置与车身中间应覆盖一层橡胶。

3.7加载位移监控

目前试验运用较常用的方法有两种，一种是在车身非加载侧固定一个百分表以便于监控车身在加载方向是否有位移，另外一种则是在车身非加载侧固定铅锤监控位移。

4、车门刚度抗压强度试验结果分析

4.1 试验结果

在车门抗压强度试验中，可以观察车门的变形量和接载荷形变-时间曲线来评价车门的耐挤压性能，通过往常试验发现结果。

按照标准，挤压力分析包括三个阶段：

（1）初始挤压力――在0-152mm挤压距离上使车门产生变形的平均力;

（2）中间挤压力――在0-305mm挤压距离上使车门产生变形的平均力;

（3）最大挤压力――在 457mm 挤压距离上记录到的最大力。

4.2 试验分析

在车门抗压试验中，防撞梁和车门加强板是主要的承力部件，针对防撞梁和加强板可以做出以下优化方法：

（1）将防撞梁上移25mm、安装支架上移25mm，同时防撞梁逆时针绕中点旋转5度。

（2）将防撞梁上移55mm、安装支架上移55mm，同时防撞梁逆时针绕中点旋转10度。

（3）将车门内外加强板通过增加加强筋的方法增加刚度。

以上方案通过软件仿真计算及限元模拟分析，优化前、后的接触力曲线进行比较分析可知，调整防撞梁的安装位置可以改变车门的抗挤压能力;而对车门外板和内板加强板进行优化改进，也可以提高车门的抗压能力。

总结：本文简述了某款电动汽车车身的刚度分析，获取了试验的相关数据。根据分析结果提出了相应的优化方案，用于指导具体的研发实践。同时还实现了对车身进行有限元分析的目标，设计人员可根据分析结果，对设计的合理性 、可行  性进行判断及优化，大大提升了设计的准确性、可靠性，为结构优化提供了有效的解决方案。

参考文献：

[1]陈鑫.轿车车身静态刚度分析及结构优化研究[D].长春：吉 林大学汽车工程学院，2003.

[2]美国联邦机动车辆安全标准.FMVSS 214 轿车侧面碰撞保护[S].

[3]国家标准委员会.GB15743-1995 轿车侧门强度[S].北京：中国标准出版社，1995.