基于有限元仿真的某车门轻量化分析

摘    要：采用HyperWorks，针对某型商务车车门开展自由模态、柱碰安全及加载1 000 N垂直向下作用力工况的垂向刚度、静强度有限元仿真分析，根据分析结果判断存在轻量化空间，据此设计了两种轻量化方案，分别对两个方案的车门进行了各项性能的仿真分析，结果显示轻量化方案一车门各项性能满足主机厂要求，并具有较好的轻量化效果；方案二车门在加载垂向力工况下的内板静应力超过了材料的屈服强度，无法满足客户要求。相关研究可为客户提供基于马钢材料开展车门优化设计的参考。

关键词：车门;有限元仿真;轻量化;HyperWorks;

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的推进，未来制造业对于低能耗高性能产品的需求将越来越紧迫。汽车产业作为国民经济的一大支柱产业，在制造业中具有举足轻重的地位。近年来，轻量化作为汽车行业的热门研究方向正受到越来越多的关注，其对于推进行业的节能降耗具有重要意义[1]。

本文采用有限元仿真的方法，研究对象为国内某主机厂一款商务车车门。首先运用Hyper Works软件对主机厂预选材车门进行模态、垂向刚度、静强度仿真分析，各项指标满足要求。分析结果显示，车门存在轻量化空间。采用优化零件数量、激光拼焊及材料厚度减薄的方式设计了车门的轻量化方案，并对轻量化车门进行各项性能的仿真分析，综合评估显示轻量化车门各项性能满足主机厂要求。

1 预选材车门性能分析

1.1 车门预选材方案及有限元模型

主机厂首先针对车门各主要零部件进行了预选材，获得用材方案如表1所示。

表1 车门各零部件预用材方案 

采用HyperMesh进行有限元建模，如图1所示。网格尺寸选择8 mm，网格划分完成后，车门所有零部件共有节点42 001个，网格单元42 123个，其中四边形单元40 689个，三角形单元1 434个，三角形单元占比3.4%。一般认为三角形单元占比小于6%模型质量为良好。

图1 车门有限元模型

1.2 车门自由模态分析

汽车在行驶过程中会受到路面不平及发动机怠速等所带来的振动，车门的固有频率需避开外界因素导致的振动频率，否则引起共振将严重危害车门的密闭性及带来异响[2]。车门的自由模态避开外界的激励频率能有效避免共振带来的危害[3]。

通过HyperMesh进行有限元建模及前处理，提交OptiStruct求解计算，在HyperView中查看自由模态计算结果，显示一阶非刚体模态频率为31.74 Hz，如图2所示。振型为内板中部弯曲，后续更高阶模态频率均高于一阶频率，满足高于外界激励24 Hz的要求。

图2 一阶弯曲模态 

1.3 车门垂向刚度分析

车门的垂向刚度是衡量车门结构性能的一个重要指标，若垂向刚度不足将导致车门变形，影响开闭，严重情况将导致车门失效[4]。根据主机厂要求，在门锁处加载1 000 N垂直向下的力，约束门安装铰链处6个方向的自由度。在HyperView中查看计算结果，显示门锁处的垂向位移为1.63 mm，如图3所示。由式（1）计算得，车门的垂向位移为612.45 N/mm，满足主机厂不低于400 N/mm的要求。

图3 门锁处垂向位移 

式中，EI为垂向刚度；F为加载力；ΔZ为加载点最大垂向位移。

1.4 车门静强度分析

加载1 000 N垂直向下的力后，车门会产生变形，车门内的最大应力不能超过车门用材的屈服极限，否则车门将会产生塑性变形甚至断裂。计算结果显示，车门的最大应力出现在内板的下方铰链附近，最大应力值为109 MPa，车门内板的预选材为DC04，其屈服强度下限为130 MPa，其余零部件内应力均未超过材料的屈服极限，如图4所示。

图4 车门应力分布

1.5 车门柱碰安全分析

车门的安全性能测试一般采用侧面柱碰的试验方法，根据相关实验标准《汽车侧面碰撞的成员保护》（GB 20071—2006），按照标准要求对车门添加约束并放置碰撞圆柱，设置圆柱初速度为50 km/h，总计算时间为0.025 s，考察车门的最大侵入量[5]。通过计算，本车门向舱室内的最大侵入量为364.8 mm，如图5所示。

图5 车门柱碰最大侵入量

2 轻量化方案设计

根据车门各项性能的计算结果，车门的用材存在优化空间，可以进行轻量化设计，客户要求减重至少5%。从降低用户成本的角度，采用去掉门内板左侧加强板、内板坯料采用激光拼焊的方式设计轻量化方案一，除拼焊部分外所有零部件牌号及厚度不变；轻量化方案二为内板左侧加强板厚度减为1.4 mm、内板厚度减为0.7 mm，其余零件厚度不变。轻量化方案有限元模型如图6和图7所示。

图6 车门轻量化方案一  

图7 车门轻量化方案二  

新方案的轻量化效果如表2所示。  

表2 两方案轻量化效果对比

3 轻量化车门性能分析

3.1 方案一车门性能分析

针对轻量化方案一车门，依照前述方法开展车门的模态、垂向刚度、静强度分析，结果显示车门的一阶非刚体模态为30.21 Hz；门锁处垂向位移为1.44 mm，根据式（1）计算得垂向刚度为694.44 N/mm，振型为内板中部弯曲；最大应力依然出现在内板的下方铰链附近，最大应力值为98.16 MPa，如图8、图9、图10所示。

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图8 轻量化车门一阶非刚体模态 

图9 轻量化车门门锁处垂向位移 

图1 0 轻量化车门应力分布

通过方案一车门的柱碰安全仿真分析发现，车门的最大侵入量为366.5 mm，如图11所示，比原车门侵入量增加1.7 mm，增幅0.47%。此结果也与车门的柱碰安全性能主要与防撞杆强相关的研究结果相契合[6]。

图1 1 方案一车门柱碰最大侵入量

3.2 方案二车门性能分析

依照前述方法开展轻量化方案二车门的模态、垂向刚度、静强度分析，得到车门的一阶非刚体模态为30.42 Hz；门锁处垂向位移为1.97 mm，计算得垂向刚度为507.61 N/mm，振型为内板中部弯曲；最大应力出现在内板的下方铰链附近，最大应力值为133.5 MPa，已超过内板材料的屈服强度。如图12—图14所示。

图1 2 轻量化车门一阶非刚体模态 

图1 3 轻量化车门门锁处垂向位移  

图1 4 轻量化车门应力分布 

3.3 各方案性能对比分析

轻量化车门性能分析的各项结果均满足主机厂要求，个别性能甚至优于原车门。优化前后两个方案车门各项性能与原车门性能对比如表3所示。

表3 轻量化车门与原车门各项性能对比

4 总结

基于有限元仿真分析的方法，采用Hyper Works分析了原用材车门的模态、垂向刚度、静强度，结果显示符合主机厂要求。后采用去掉内板左侧加强板、内板坯料，采用变厚度激光拼焊及材料减厚的方式设计了两种轻量化方案车门。针对轻量化车门的性能分析显示，方案一车门的各项性能及轻量化指标满足主机厂要求，且安全性相比原车门变化极小；而方案二车门下垂工况的静应力超过材料的屈服强度，无法满足车门的安全使用。相关仿真分析结果可以为主机厂基于马钢材料的车门优化设计提供参考。

参考文献

[1] 王文革.金属材料在汽车轻量化中的应用[J].世界有色金属,2021(4):205-206.

[2] 顾海明,贺永龙,娄磊.乘用车车门结构性能有限元分析[J].机械研究与应用,2020,33(6):104-106,110.

[3] 雷明准,张丰利,王建楠,等.基于有限元的车门模态分析与优化研究[J].汽车技术,2008(12):4-7.

[4] 万德安,赵建才.轿车车门刚度有限元分析及结构优化[J].汽车工程,2001(6):385-388.

[5] 朱江森,郭艳茹,陈剑.某车门碰撞性能分析及结构优化研究[J].汽车科技,2011(5):16-19.

[6] 徐飞云,谢斌,成艾国.车门静态强度的有限元分析模拟[J].机械工程师,2010(3):104-106.

文章来源 汽车实用技术. 2023,48(01)