乘用车车门异响分析及焊点优化

乘用车车门异响分析及焊点优化
程兆刚;刘艺;闫石;赵永玲
【摘要】乘用车车门异响是影响车内舒适性的主要因素之一,而使得车门结构产生异响的主要因素是结构连接处焊点强度不足.以国内某采用车车门为例,首先在CATIA中建立三维模型,基于有限元分析软件HyperMesh进行网格划分和模态分析,获得车门自由模态频率和振型;然后利用声学分析软件VAOne对车门异响进行
有限元仿真分析,获取车门产生异响的主要分布区域.最后,基于拓扑优化方法对车门结构中的焊点布置进行优化设计,经焊点优化后的车门异响问题得到了有效解决.【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】4页(P229-231,235)
【关键词】异响;间隙分析;拓扑优化;焊点
【作者】程兆刚;刘艺;闫石;赵永玲
【作者单位】军械工程学院车辆与电气工程系,河北石家庄050003;军械工程学院
车辆与电气工程系,河北石家庄050003;军械工程学院车辆与电气工程系,河北石家
庄050003;军械工程学院车辆与电气工程系,河北石家庄050003
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
车门是汽车驾驶室内腔的重要组成部分，车门的异响会严重影响汽车的乘坐舒适性。

乘用车的车门是由具有复杂空间曲面形状的内板、外板以及起局部加强作用的加强
板通过冲压和点焊组合而成的空间薄壁板壳结构[1]。

针对国内某款乘用车车门的
异响问题，提出以有限元法为手段，以车门在相同载荷激励下车门异响程度最小为优化目标，利用振动噪声分析软件VAOne对车门间隙进行分析，实现对车门焊点布置进行优化设计的目的。

车门是一个由具有空间曲面形状的内、外板通过点焊和冲压组合而成的空间薄壁板壳结构。

首先，利用CATIA三维软件建立CAD模型，然后利用HyperMesh对
导入的CAD模型进行预处理，在综合分析比较常用的三类焊点模型的基础上，加载CWELD单元模拟焊点，铰链处用简化的约束代替[2-4]，最后对其薄壁冲压件
进行网格划分。

内盖板是车门的重要组成部分，对其进行网格划分需要极其认真，极易引起异响，所以网格尺寸定位10mm。

本款车门所使用的材料为合金钢，E=206GPa、
μ=0.26、ρ=7.8×10-6kg/mm3、m=16.08kg，主要采用四边形单元并结合少量三角形单元划分模型结构，最终得到25328个四边形单元和1123个三角形单元。

得到的有限元模型，如图1所示。

为了确定车门异响产生的原因以及产生异响的大致区域，需要对车门结构进行模态分析。

先将HyperMesh设置成nastran模式[5]，再对建立好的有限元分析模型
进行求解计算，分析流程，如图2所示。

基于有限元分析软件HyperMesh，运用分块兰索斯法[6]提取出前7阶车门的模态参数，并对计算结果进行后处理分析，
得到车门自由模态下的固有频率和振型。

车门结构模态参数，如表1所示。

通过对车门模态分析可知，车门的前7阶自由模态频率主要集中在（2.5～5.2）
Hz低频范围内。

而来自路面的道路激励频率主要集中在（0～30）Hz范围内。

由此可知，车门产生异响的主要来源是由于受到路面的振动激励。

为了确定车门由于路面激励所产生的振动异响的大致区域，需要研究车门的振型。

车门的振动主要以车门框和内盖板在Y方向上的振动为主，如图3～图9所示。

由于车门在该方向上的振动，使得车门内腔也将受到声压激励，将迫使车门在内腔压力作用下产生二次振动，加剧了车门的异响。

并且通过振型图中的振幅数据，也可以确定振动异响产生的主要区域。

为了对车门内腔由于二次激励所产生的振动异响进行准确定位，首先在系统中对异响进行定义，将两单元的间隙在（1～6）mm且碰撞周期在120s以内的接触定义为异响[7]。

然后将建好的车门有限元模型文件导入VAOne[8]中，定义系统结构的子系统，并赋予上文提及的材料属性及参数。

最后，根据实际工作状况，在其关闭的那一刻，门锁处受力约为100N，按此在车门相应节点处加载激励载荷。

通过计算车门各单元间隙，得到（1～6）mm范围内的间隙126处，如图10所示。

导入车门的模态信息进行碰撞统计，由碰撞周期的设定排除了119处，发生异响的具体区域，如表2所示。

通过对车门振动异响分析可知，在车门的内上盖板和内下盖板结合处，由于焊点的强度不足和数量不够，造成连接处的强度和刚度不足，使得车门在关门时刻和车辆受到路面激励时，以及车门内腔受声压激励所产生的二次激励，造成车门零部件发生碰撞，从而导致车门的异响。

为了解决车门振动异响的问题，在尽量不增加车门质量和体积的前提下，采用拓扑优化方法，对内上盖板和内下盖板的焊点进行优化，通过增加焊点的方式，改变焊点点距，提高焊点强度，并增加连接处的强度和刚度，从而缓解车门振动异响的状况。

5.1 优化问题描述
为了增加焊点强度以及连接处的强度和刚度，通过在连接处增加焊点数量和优化布置的方式来解决。

优化设计过程中，应该尽可能在少增加结构质量的前提下，使得结构连接处的强度和刚度得到较大的提升。

因此，优化方案是：
设计变量：焊点的布置和数量；
目标函数：车门结构的强度和刚度得到较大提高；
约束条件：车门结构的质量变化尽可能小。

5.2 优化设计数学模型
最小化（Minisize）:
约束条件（SubjectTo）:
式中：f（x）—目标函数；
g（X）—不等式约束函数；
h（X）—约束函数；
X=x1，x2，…，xn—设计变量；
L—下限；
U—上限[9-10]。

5.3 优化结果
以车门网格单位间隙控制在（1～6）mm内为最终目标，通过提升车门结构的刚度和强度，对车门焊点的优化，在内上盖板和内下盖板连接处增加了18个焊点，占此车车门总焊点的8%，车门质量变化很小，基本上可以忽略。

经车门焊点优化之后，车门的下沉刚度有较大提升，车门右上部的下沉位移由5.15mm降低为3.27mm，车门把手处的最大应力由265MPa降低为231MPa；车门的扭转刚度也有较大提升，其中车门左上部的最大形变位移由6.85mm降低为2.81mm，如表3所示。

焊点布置优化设计之后的车门振型异响水平和具体分布，如图11所示。

对优化后的车门异响分析可知，通过增加车门的局部焊点的数量和优化布置，车门内上盖板和内下盖板之间的单元在车内振动时刻的间隙主要分布在1mm之内，这样将大大缓解了车内的振动异响问题。

通过对某乘用车车门异响问题进行分析，获得车门结构的自由模态频率和振型，以及产生异响的主要区域；经对车门的焊点布置进行优化设计及分析，在增加车门少量质量的情况下，车门右上部的下沉位移降低了36.50%，车门把手处的最大工作应力降低了12.83%，车门左上部位的最大变形降低了58.98%，较好的解决了车门异响的问题，所得结论对车门焊点设计具有一定指导意义。

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