孫劍等

摘要：以某車型為例，對該車門進行過開強度分析及試驗。運用Hypermesh軟件建立車門有限元模型，并對車門過開工況進行仿真分析得出車門位移數(shù)據(jù)和附件受力情況；提出車門過開試驗方案，完成車門過開性能測試，得出試驗推論；對比仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)，驗證有限元模型的準確性與試驗方案的可行性。

關(guān)鍵詞：車門；強度分析；過開角度；有限元分析；試驗

中圖分類號：U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）01-0065-06

車門是車身上的一個相對獨立的總成，其性能狀況對于汽車的安全性和舒適性都有重要影響。車門性能分析主要包括過開、下沉、全力關(guān)門、開閉耐久等。其中過開工況主要考察車門過開角度及受力狀況，評價車門過開狀態(tài)下性能，包括最大開啟角度與變形等。過開性能反映車門及鉸鏈系統(tǒng)和限位器抵抗超負荷開門力作用的能力。過開相當于在車門全開狀態(tài)下，在車門打開方向施加載荷。車門過開工況屬于模擬車門使用者誤操作，車門過開下，會在車門、鉸鏈系統(tǒng)、限位器、車身側(cè)圍外板產(chǎn)生很大應力，如果車門過開頻繁發(fā)生，可能會引起車門系統(tǒng)過早老化和金屬損傷，造成車門性能變差，甚至無法關(guān)閉車門，嚴重影響車門開合便利性。

CAE技術(shù)可以分析車門相關(guān)性能是否達到設(shè)計目標，而通過驗證后的CAE模型可以進一步針對具體性能提出有效的解決方案。目前行業(yè)關(guān)于車門過開工況法規(guī)標準和試驗方案研究較少，為了分析并改善車門多項性能，以某車型前門作為研究對象，搭建CAE仿真模型，模擬車門過開過程，并設(shè)計試驗方案，建立試驗系統(tǒng)，探討確定過開角度的試驗方法，完成車門過開試驗。通過分析與驗證確定了該車門及鉸鏈系統(tǒng)、限位器系統(tǒng)抵抗過開的能力，確保車門性能達到目標值。

本文不僅對車門整體進行了有限元分析，并且進一步研究了車門過開工況中的車門附件受力情況，詳細完整的分析了車門過開性能。在進行過開仿真分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了簡單易行的試驗驗證，得出了相應推論。為車門過開性能開發(fā)驗證提供了借鑒。

1車門過開強度有限元分析

1.1車門有限元模型

根據(jù)車門CAD數(shù)模建立有限元模型（圖1），車門主要由不同厚度的薄板件構(gòu)成，通常采用殼單元對其進行離散化。網(wǎng)格大小選擇8mm，忽略尺寸較小的工藝孔，重要區(qū)域適當加密，焊點采用ACM焊接模擬，螺栓采用梁單元與rigid單元模擬，焊縫采用剛性連接。限位器有限元模型處于車門開啟到最大角度位置。模型搭建完成后節(jié)點總數(shù)287385個，單元總數(shù)235662個，三角形單元總數(shù)10133個，三角形單元總數(shù)占單元總數(shù)的4.3%（<10%）利用Hyperworks中Optistruct求解器靜力學分析功能對該車門進行過開分析。

1.2邊界條件

約束車身截面全部自由度，將車門旋轉(zhuǎn)至最大開啟角65.4度，移除對限位器和轉(zhuǎn)軸繞其軸線的旋轉(zhuǎn)約束以及車門鎖點y向自由度，鉸鏈連接處移除車門旋轉(zhuǎn)約束。在車門過開工況過程中，車門自重是不可忽視的因素，使用CONM 2集中質(zhì)量單元加載22kg。由于車門已經(jīng)到達最大開啟位置，鉸鏈與車身外板、限位器壓塊上下端與車門外板已經(jīng)接觸，仿真中采用固聯(lián)，限位器與車身連接部分采用螺栓連接。在鎖點位置沿車門開啟方向施加500N載荷，強迫車門繼續(xù)開啟。

1.3分析結(jié)果

1.3.1過開性能評估

通過Hyperworks中的Hyperview后處理模塊得到車門在過開加載情況下的位移云圖（圖3），在車門模型上通過Distance工具選擇四個測點，獲得四個測點位移數(shù)據(jù)，從而計算車門過開角度，評估車門過開性能（數(shù)據(jù)比較見表3）。

在過開工況中，除車門受力變形外，所施加載荷會在限位器與鉸鏈處產(chǎn)生較大應力，若應力值超標，會產(chǎn)生永久變形，對車門開啟與正常使用產(chǎn)生嚴重影響。以下對車門過開中車門主要附件進行分析說明。

1.3.2車門受力評估

在過開工況中，鉸鏈承受較大載荷，鉸鏈與車門連接處會產(chǎn)生較大應力，同時限位器支架通過螺栓固定在門外板，所以車門在過開工況中主要的受力位置在鉸鏈安裝孔與限位器安裝位置附近，加載時所受應力如圖4所示。車門所受最大應力位于鉸鏈安裝孔附近，其應力值為150MPa，小于零件材料許用應力。

1.3.3限位器受力評估

車門限位器具有門半開時的支承功能和全開時的限位功能，其作用是限制車門的開啟角度，減緩車門的開啟及關(guān)閉速度，提高開關(guān)門手感。因此限位器是車門過開工況中重要承力件。限位器支架通過安裝螺栓緊固在車身上，限位盒通過兩個安裝螺釘緊固在車門內(nèi)板上，當開門的時候，限位盒便會沿著限位臂進行運動。

以車門開啟到最大時為分析位置，此時限位拉桿處于最大行程。限位器拉桿應力云圖如圖5所示，限位器最大應力位于限位拉桿上，最大應力為193.4 MPa，小于零件材料許用應力，其他位置所受應力均滿足要求，無破壞風險。

1.3.4鉸鏈受力情況評估

車門鉸鏈是車門總成中的主要受力件，當車門打開時，車門的重力完全由鉸鏈承受，在過開工況中，鉸鏈不僅需要承受車門重力，而且需要與限位器一同限制車門開度。隨著載荷等級增加，鉸鏈通過與車身連接端的接觸限制車門開度，所以鉸鏈在車門過開工況中應力水平也會影響車門過開性能。

鉸鏈應力云圖如圖6所示，鉸鏈最大應力位于連接處根部，最大應力為142.5 MPa，小于零件材料許用應力，無破壞風險。

1.3.5側(cè)圍外板最大位移

限位器支座通過螺栓固定在車身側(cè)圍，過開工況下，車身側(cè)圍承受較大載荷，所以車身側(cè)圍外板設(shè)計中需要保證車身有足夠剛度。側(cè)圍外板位移云圖如圖7所示。側(cè)圍外板最大位移位于與限位臂安裝孔附近，其位移值為1.215mm，滿足設(shè)計要求。

2車門過開試驗

2.1試驗方案

將車門安裝在車身上，車身放置在平坦地面并加以固定，沿鎖位處加載。由于角度難以測量，通過測試各測點位移，再經(jīng)過換算得出車門過開角度。車門測試系統(tǒng)如圖8所示：

為了得到準確數(shù)據(jù)，在車門鎖點與車門鉸鏈軸線之間布置四個測點，一測點選擇在加載點位置，其余三測點沿外板布置。另外，加載點位置設(shè)置標尺，量測標尺移動位置，作為車門開啟角度參考。采用剪式千斤頂加載裝置，前端放置力傳感器。千斤頂一端頂住車門，另一端抵住反力裝置，依靠千斤頂加載裝置緩慢旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對加載力的控制。

2.2試驗過程描述

（1）將車門開啟至最大開啟角65.4°，用加載裝置一端頂住車鎖位置，另一端連接力傳感器，調(diào)整好車門與測試系統(tǒng)，力與位移初值顯示為0。

（2）緩慢逐級加載，加載級別為10kg，按設(shè)計要求最大載荷級別為51kg（500N），然后再逐級卸載至0，通過位移測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，得出在各級加卸載狀態(tài)下車門各測點變形。

（3）試驗重復3次并核實數(shù)據(jù)重復性，取3次數(shù)據(jù)平均作為處理依據(jù)。通過測點位移，計算車門過開角度。其基本計算原理見圖9；各測點到鉸鏈軸線距離見表1。

根據(jù)四個測點位移推算過開角，過開角計算按下式進行：

2.3過開強度試驗結(jié)果分析

由各測點位移數(shù)據(jù)計算出四個測點過開角度與殘余值（表2），反映4個測點在5個載荷等級下的加載與卸載過開角度試驗值，多測點數(shù)據(jù)互相驗證，說明車門總體過開情況，易于給出正確推斷。由表2可知除1號測點外其余測點過開角度數(shù)據(jù)重合性較好，這是由于1號測點接近鉸鏈軸線，位移變化值較小，對位置敏感。選取2，3，4號點過開角度作為依據(jù)，試驗得出車門在500N載荷作用下，三號點過開角度最大，最大過開角為2.949°，鎖位處則為2.703°，最大殘余變形角度為0.349°，滿足設(shè)計要求，試驗結(jié)果表明該車門過開性能滿足要求。

車門各測點加卸載荷工況下過開角變化曲線如圖10 a、b、c所示，四個測點加載曲線在0～2°變形區(qū)間過開角度變化較大。以四號測點加載曲線為例，分段添加趨勢線得出曲線斜率，如圖11a、b所示，測點在0～2°變化區(qū)間趨勢線斜率為0.0074，在2°～3°變化區(qū)間趨勢線斜率為0.0031，可知在2°～3°過開角度變化率明顯低于0°～2°區(qū)間。通過試驗觀察，這是由于在分級加載過程中，鉸鏈與車身接觸明顯滯后于限位器限位，0～2°變形區(qū)間主要由限位器進行限位，在后續(xù)加載中2°～3°變形區(qū)間鉸鏈與限位器同時進行限位，角度變化率小于0°～2°變形區(qū)間，具體過程見圖12。試驗推論為當車門過開時，鉸鏈限位會滯后1.5°～2°。

圖13a反映各測點不同加載等級下變形情況，即各測點所在車門平面整體變形情況。曲線表明各測點變形趨勢一致，圖13b中線框圖為車門起始加載位置，為方便與試驗結(jié)果比較，位移云圖為最大加載等級500N下位移結(jié)果放大十倍后的結(jié)果，可以看出仿真與試驗數(shù)據(jù)變形趨勢基本一致，同時在0～98N、98N～196N、196N～294N加載區(qū)間位移變化大于其余加載區(qū)間。

將仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)對比如表3所示，對比數(shù)據(jù)表明，測點仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)誤差基本在±5%之內(nèi)，說明了仿真模型的正確性。對照車門過開角度設(shè)計目標值，仿真與試驗數(shù)據(jù)均說明該車門滿足相關(guān)性能要求，同時反映車門過開試驗方案合理，能有效驗證仿真分析結(jié)果。3號測點試驗值偏大的原因是由于車門在加載過程中鉸鏈固定端與加載端同時受力，車門外板會發(fā)生一定彎曲變形，導致位于車門間位置的三號測點位移值較大。

3結(jié)果分析

本文闡述了某款車型車門過開性能的仿真分析與試驗測試，在仿真過程中計算出最大過開角和車門附件的應力狀況。建立了車門過開試驗簡易方案，得出了車門過開角以及殘余變形，驗證了仿真的正確性。試驗與仿真數(shù)據(jù)表明，該車門符合過開設(shè)計性能標準。

1）通過有限元分析與試驗驗證得出車門最大過開角，試驗仿真相互驗證，說明了有限元模型的準確性與試驗方案的可行性。目前行業(yè)關(guān)于車門過開工況法規(guī)標準和試驗方案研究較少，本文參考企業(yè)相關(guān)設(shè)計標準，進行了完整的車門過開工況仿真分析與試驗驗證，為車門過開性能的開發(fā)驗證提供了借鑒。

2）有限元分析與試驗結(jié)果表明，該車門在500N載荷作用下，其過開角度和殘余變形、車身側(cè)圍外板位移，以及車門與限位器、鉸鏈最大應力均滿足設(shè)計目標值，車門過開性能達到設(shè)計要求。

3）車門過開試驗曲線呈現(xiàn)出一定的非線性，這與仿真分析中的線性關(guān)系仍有不同，反映實際車門構(gòu)造關(guān)系的復雜性。

4）在試驗過程中，鉸鏈接觸限位滯后于限位器接觸1，5°～2°，在鉸鏈與限位器同時作用時，位移變化明顯變慢?？梢酝ㄟ^改進設(shè)計，減小鉸鏈接觸限位滯后角度，從而改善車門過開性能。