车门垂向刚度仿真分析

车门是汽车车身的重要构件。在车门的设计阶段，使用传统的设计方法通常需要进行大量的试验，这个过程需要耗费大量的人力、物力和时间。随着有限元方法的发展，我们可以通过计算机有效的模拟仿真分析，对车门的设计及改进提供指导，从而缩短设计周期，节约大量成本。本文以某轿车前车门为例，对车门垂向刚度有限元仿真方法进行说明。

分析目的：

车门是车身设计中十分重要而又相对独立的一个部件，通过铰链与车身连接从而实现开启和关闭。车门垂向刚度是车门刚度分析的一项重要指标，车门垂向刚度不足会影响车门开关可靠性，引起车门卡死、关闭力增大，严重时会造成漏风、渗水、行驶过程中车门振动及噪声等问题，这将对乘坐舒适性造成严重影响。

车门垂向刚度分析是模拟车门在打开一定角度状态下，由于人员上下以及人员利用车门支撑身体而产生的垂直载荷作用下，能够保持一定的抵抗变形的能力，以及卸载后恢复原有形状的能力。

模型建立：

分析模型包括前车门钣金总成，铰链以及截取部分与车门相连的白车身。对模型进行网格划分，建立前车门垂向刚度分析有限元模型。

CAD 模型需要精确的几何表述，包含很多几何细节特征。而有限元模型与CAD模型不同，在有限元分析时，为了获得较好的网格质量、提高求解精度并节约计算时间，可以简化掉一些对整体力学性能影响较小的几何特征，如直径较小的孔、过渡圆角和倒角等。

车门的构件大部分是薄板冲压件，其长度方向的尺寸远远大于厚度方向的尺寸，符合壳单元的理论假设，所以可以尽量采用四边形壳单元模拟各冲压构件的结构，并适当使用三角形壳单元过渡；考虑到车门在侧碰时焊点脱焊发生的概率较小，采用刚性单元模拟焊点；为更加准确地模拟车门铰链的连接，对其进行实体网格的划分，同时需要细化车门内板上与铰链连接处的壳体网格，这样可以提高有限元计算的精度。前车门垂向刚度分析的有限元模型如图1所示。考虑到计算的稳定性，三角形单元的个数一般要求小于单元总数的5%，尤其是一些主要受力部位，网格划分时尽量避免三角形单元。车门玻璃和附件等用集中质量单元模拟。

工况设定：

边界条件：约束车身截面处的所有自由度；约束门锁处沿开启方向自由度。

由于前车门一般有两级开度，为了全面了解前车门的垂向刚度情况，需对每级开度逐一分析，因此可考虑如下三种加载工况：

工况一（车门关闭状态）：仅施加重力加速度；

工况二（车门一级开启状态）：施加重力加速度的同时，在门锁处施加垂直向下750N的集中载荷，然后卸载；

工况三（车门二级开启状态）：施加重力加速度的同时，在门锁处施加垂直向下750N的集中载荷，然后卸载。

结果讨论：

图2为工况一的前门Z向位移云图。位移云图可以方便大家对车门垂向位移进行直观判断，从而推算出车门的垂向刚度。

图3为工况二下的前门应力云图，应力云图可以直观显示结构中吸收能量最集中的部位，让我们了解到能量的分布。进而对应力集中的部位进行优化，提高局部刚度从而对车门垂向刚度进行整改。

一般情况下， 车门铰链及其安装孔附近的加强件对车门垂向刚度较为敏感，也是车门及A柱下部结构优化的主要区域。在优化结构的时候，还需要综合考虑其它因素，如车门模态、车门侧向刚度、车门质量等，寻找最优解决方案，为车门结构的进一步设计、优化以及整车的轻量化设计提供了一定的参考依据。

同捷公司从成立到现在共设计开发了几百个车型，其中CAE仿真分析是设计过程中极其重要的部分，从设计到优化一直贯穿始终，积累了丰富的工程经验和数据，能够为客户提供满意的工程解决方案。