131-汽车车门有限元分析

汽车车门有限元分析
彭鸿
奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院CAE部
轿车车门有限元分析
CAR_Door Finite Element Analysis
彭鸿
(奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院CAE部)
摘要：汽车的开启件是汽车的重要部件，其性能的好坏直接影响汽车的整体性能。

本文主要针对汽车车门进行有限元分析，采用MSC.Nastran求解器进行计算，考查其车门的约束模态和部分刚度性能，从而评价车门性能的好坏。

关键词：车门有限元约束模态刚度MSC.Nastran
Abstract：The closures are the important part of automobile because of they take directly effect on the vehicle performance. This paper describes on how to analyze car door main structure parameter. The MSC.Nastran solver is adapted to calculate the constraint mode and stiffness of car door. At last, it is evaluated to the door performances.
Key words：door，finite element，constraint mode，stiffness，MSC.Nastran
1 概述
汽车的开启件常见的包括四门（前后侧门）和两盖（发动机罩盖和行李箱盖），其结构性能的好坏，直接影响汽车的总体性能和舒适性。

因此本篇主要对汽车车门进行有限元分析。

分析内容主要包括约束模态分析和静刚度分析。

约束模态是考察门本体在铰链和门闩处同时施加适当约束条件下的振型及相应频率值；静刚度是指模拟真实试验条件下的工况对门本体模型施加约束条件和载荷条件，从而考察各种工况下门本体的最大变形量是否超过经验参考值或试验值。

本文采用有限元分析，通过对车门的几何数模建立有限元模型，给定一定的边界约束条件和载荷条件，采用MSC.Nastran求解器对分析模型进行求解。

考虑保密原因，本文涉及的参数均作了人为处理。

2 分析模型概况
车门有限元模型主要是车门的钣金件，不包括门体内的附件。

模型主要是采用壳单元进行建模。

整个模型共有34052个单元，其中四边形单元31004个，三角形单元1372个，三角形所占比例为4.2% 。

车门钣金件之间的连接方式主要采用RBE2单元来模拟焊点。

并以弹簧单元模拟防撞杆与外板间的胶连接，这样使计算更加符合实际。

模型中钣金的常用材料是钢，主要采用的材料属性参数见下表1：
表1 模型材料特性
整个车门的有限元模型如图1所示。

图1 车门的有限元模型
3 模型中的关键作用点
分析车门的关键点，主要是指加载点和约束点，如图2所示。

约束点：
铰链处关键点：主要是指铰链安装孔，分析时约束了该关键点的六个方向的自由度，从而模拟车门与白车身的连接，使车门与车体固定。

对于铰链本身的销轴用RBE2单元代替，同时也释放绕z轴方向的旋转自由度释放来模拟铰链旋转的真实情况。

门闩处在的关键点：主要是门锁的安装点，计算时释放了X轴的转动的自由度，以模拟门闩锁止时的状态。

加载点：
加载点主要是车门的几个不同位置如车门转角处、门框内外板的中间以及门锁安装点。

图2 关键点汇总图
根据车门在不同位置的加载与约束条件组合，形成各种工况，通过计算分析考察在各个力的作用下门体的最大变形量。

4 约束模态分析
对于车门的约束模态分析，主要是指将车门固定，约束门锁、铰链处的自由度从而计算其模态。

分析中主要考查其一阶弯曲、一阶扭转的模态。

通过计算得到其前二阶主模态，对应的振型图如下，前4阶的主要模态和振型描述见表2。

图3 车门一阶扭转模态振型
表4.1 前4阶约束模态描述
5 刚度分析
刚度分析共分三种工况：侧向刚度，挤压刚度和垂直刚度。

其评价值一般是施力点相对应的位移值。

5.1 侧向刚度分析
侧向刚度主要是考查车门关闭时白车身通过门框的密封圈作用在车门门框上的变形，分
析中将车门的铰链和门锁处进行约束，在车门的窗框转角处施加一定大小的作用力，通过分
析计算得到的位移云图如图5。

图5 侧向刚度位移变形云图
通过分析可以得到在该工况下所得到的最大位移为7.08mm，加载处考查点的位移为5.87mm。

5.2 挤压刚度分析
挤压刚度主要考查车门内外板对玻璃升降的影响，为考察挤压刚度，根据施力位置不同也建立了两种分析工况，具体情况如下。

5.2.1工况1
工况1,主要是车门内板对玻璃升降的影响，同样按照前面进行约束，在车门内板窗框中间施加一定大小的作用力，组合成分析工况。

经过计算分析的到位移变形云图如图6所示。

图6 挤压刚度（工况1）位移变形云图
通过分析可以得出在该工况下所得到的最大位移为0.583mm。

其考查点的位移为0.525mm。

5.2.2 工况2
工况2,主要是车门外板对玻璃升降的影响，同样按照前面进行约束，在车门外板的窗框中间施加一定大小的作用力，组合成分析工况。

经过计算分析得到其位移变形云图如图7
所示。

图7 挤压刚度（工况2）位移变形云图
通过分析可以得出在该工况下所得到的最大位移为 1.56mm。

其考查点的位移为1.17mm。

5.3 垂直刚度分析
垂直刚度主要是考查车门在外力作用下的下垂情况，同样按照前面进行约束，在车门门锁处施加一大小的作用力，组合成分析工况。

经过计算分析得到其位移变形云图如图8所示。

图8 垂直刚度Z向位移变形云图
通过分析可以得出在该工况下所得到的最大位移为 2.39mm。

其考查点的位移为1.924mm。

6 分析评价与结论
6.1 分析评价
通过计算分析，发现该车门的约束模态值都很高，可见其抗共振性能较好。

一般而言，当汽车在正常路面上以低于150km/h的速度行驶时，路面对汽车的激励频率低于21Hz，因而对于汽车部件的第一阶固有频率应高于21Hz。

同时也需要考虑避免与白车身发生共振。

根据分析计算的结果值，与白车身的模态值进行对比发现门的模态值与白车身的模态值没有互相接近的，故该车门不会与地面的激励或整车发生共振。

从刚度计算来看，刚度值达到了预期的目标值，但挤压刚度值较小，应该对车门外板加强板的结构进行加强，提高其刚度。

图9 外板加强板示意图
上图是车门外板和外板加强板的示意图，从图中我们可以看到外板加强板两端较短，当有外界载荷作用在外板上，它所其的加强作用就很少了，通过分析我们提出将该加强板两端进行延长，从而使加强作用更加明显。

此外，汽车车门的有限元分析还不止上面所述的几个分析内容，还有车门过开、车门下垂、车门抗凹以及车门铰链的强度等等分析项目。

6.2 结论
本文介绍的车门约束模态与刚度分析方法在奇瑞汽车新车型的研发中得到了广泛的应用，对车门的设计产生了直接的指导作用，大大减少了新产品的有关质量问题。

致谢：
感谢奇瑞汽车CAE部车身分析科的所有同事的帮助和指点！
参考文献
[1] MSC.Nastran 2004 Linear Static Analysis User’s Guide.
[2] 奇瑞CAE部车身分析科．CAE建模指南.
[3] 奇瑞CAE部车身分析科．CAE分析指南.
[4]《汽车工程手册》编辑委员会．汽车工程手册·试验篇.人民交通出版社.2000.12.
[5] 乐玉汉主编. 轿车车身设计. 北京：高等教育出版社,2000
[6] 宋子康、蔡文安编. 材料力学. 上海：同济大学出版社出版,1998。