半开状态下车门下沉量有限元分析
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（1.广东科技学院，广东 东莞 523083；2.东风汽车有限公司东风商用车公司，湖北 武汉 430050）
【摘要】
车门的下沉刚度是车门刚度设计中重要指标之一。针对某型号轿车前车门刚度不足问题，利用HyperMesh有限元前处理软件建立了车门装配后在半开状态（车门开启角为15°）下的车门下沉刚度有限元模型，并借助Abaqus有限元后处理软件完成车门的下沉量的计算分析，结果表明该轿车前车门在半开状态下加载到1000N时，下沉量为13.5mm，卸载后残余变形为2.4mm。
【关键词】
1 前言
目前轿车一般采用的是旋转式车门，旋转式车门通常由车门内外板、玻璃导槽、铰链、门窗框、门锁以及附件等组成。
现代轿车车身设计中，车门的设计是至关重要的一部分。车门设计时除满足必要的功能方面要求外，还需要满足多项刚度、强度方面的要求。车门下沉是旋转式车门一种较为普遍的现象，下沉根本原因是其刚度不足，刚度不足会造成车门边角处的变形量过大，引起车门卡死、关闭力增大、密封不严导致漏风、渗水以及内设脱落的现象。因此，在车门设计过程中，必须考虑车门的刚度和强度。
本文以某款轿车前车门为研究对象，利用有限元前处理软件Hypermesh和后处理软件Abaqus完成在半开状态下（开启角15°）车门下沉量分析。从而为车门的最初设计及改进提供一定的参考依据。
2 前车门下沉分析有限元模型
2.1 前车门几何模型
为了分析的简便，有必要对前车门进行如下简化：忽略内饰板、车窗玻璃等部件，不考虑车门把手、车门锁等结构。前车门下沉分析有限元模型中包括前车门钣金件总成，前车门铰链，以及部分白车身模型。
2.2 模型的导入和几何清理
由设计部门提供车门CAD模型。对于模型中的一些小的几何特征，例如小孔，可由设计工程师在CATIA软件中进行抑制。此外，CAD模型导入HyperMesh后，存在缝隙、重叠、错位等缺陷，这会影响网格的质量，因此在导入模型后，要进行必要的几何清理，形成一个简化的模型，以便获得较好的网格质量，提高计算精度。
2.3 单元选取与网格划分
车门的构件大部分是钣金件，采用壳单元对各钣金件进行离散化。根据车门结构特点，网格划分主要采用10×10（mm）四边形网格，在过渡区采用适当数量的三角形网格。车门铰链采用六面体网格，即单元类型为Hex8，螺栓孔处采用Washer处理，铰链采用软件中的CONNECTOR的Hinge单元来模拟。车门内外使用共节点连接方式模拟包边，各焊接零部件之间采用CWELD单元连接的方式模拟焊点连接的情况。车门内部的防撞梁，采用管单元代替。
网格质量是指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度。因此，在网格划分时，网格需遵循以下标准：
（1）尽量避免采用小单元，此次最小单元尺寸为5mm。
（2）单元翘曲度小于5，雅克比大于0.7，四边形单元的各个角控制在45°~135°，三角形单元的各个角控制在20°~120°，三角形单元比率小于5%。
2.4 材料模型
分析中，允许材料发生塑性变形，所以对车门本体，铰链和铰链安装区域的白车身零件采用弹塑性材料来模拟。
2.5 车门装配后车门下沉工况
该工况分析的对象为装配在白车身上的车门，分析时在白车身进行约束，以此考查车门下沉。该工况可分两种状态：全开和半开状态，本文仅研究半开状态，而且取车门开度角为15°进行分析。白车身的截取可参照图1车门半开时有限元模型。前、后端截面到铰链轴线的X向距离为362mm、390mm左右，沿整车Y向，截取端面到车门铰链轴线的距离为440mm左右。
图1 车门半开时有限元模型（车门开启15°）
车门下沉刚度分析中，其工况的确定按照企业标准的规定乘员体重，在车门门锁处加载沿Z轴（垂直地面）负向，大小为1000N的集中力，在截取的部分白车身边缘处进行全约束，同时为限制车门旋转，在门锁加载处约束Y向平动。
整个载荷施加分两步进行：
第一步：同时在车门的门锁处沿Z轴负向逐步施加1000N大小的集中力；
第二步：卸载车门门锁处的集中力。
3 车门下沉量分析后处理
将以上建好的有限元模型提交给有限元后处理软件Abaqus计算。同时利用Abaqus/viewer进行后处理，可以得到加载及卸载过程中，车门下沉量与加载力的变化关系，如图2所示。当加载到1000N时，车门下沉量为13.5mm，卸载后残余变形为2.4mm。
图2 车门半开时车门下沉量（车门开启15°）
4 结论
车门的刚度与强度是车门设计的重要性能参数，车门的下沉刚度是车门刚度设计中重要指标之一。为确定轿车白车身车门刚度强度是否满足车门下沉分析要求，需要对比竞标样车的车门下沉量数据，而设置符合该车型的合适的目标值，同时要满足相关的标准要求等。另外，本文未考虑车门自重的影响，车门自重也会使部分区域产生一定的预应力。
参考文献：
［1］邢艳云，高婷婷，于波.轿车车门下沉刚度分析及改进设计［J］.天津工程师范学院学报，2009（19）
［2］谷同金，张代胜等.某型货车车门下沉刚度分析及改进设计［J］.汽车科技，2012（2）
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