■姜坤（鄭州信息工程職業(yè)學(xué)院）

汽車開閉件領(lǐng)域普遍使用CAE技術(shù)，目前技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。汽車組成中開閉件作為主要功能件，直接影響到乘客駕駛體驗(yàn)，側(cè)門作為成員上下汽車的主要通道，集中存在大量的功能件，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮很多性能因素，如上下車便利性、車門開閉質(zhì)量、玻璃升降等，這就需要設(shè)計(jì)人員依托相關(guān)要求完成設(shè)計(jì)，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，合理應(yīng)用CAE 技術(shù)。

一、汽車領(lǐng)域中CAE技術(shù)分析

汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域中引入CAE技術(shù)后，可以在樣品生產(chǎn)前通過(guò)CAE技術(shù)模擬零部件甚至整部車的性能與運(yùn)行情況，避免陷入傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不斷出現(xiàn)的設(shè)計(jì)-優(yōu)化的重復(fù)過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)階段仿真分析解決這些問(wèn)題，促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率的提升，縮短開發(fā)時(shí)間、降低所需的成本。

傳統(tǒng)車輛設(shè)計(jì)時(shí)依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析，缺少定量數(shù)據(jù)分析方法，而通過(guò)使用CAE技術(shù)后降低產(chǎn)品自重并優(yōu)化性能[1]。利用CAE技術(shù)后可以在相同時(shí)間內(nèi)嘗試與對(duì)比更多設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而獲得更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案；將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)以量化形式出現(xiàn)，靈活與方便的特點(diǎn)使得CAE技術(shù)方便設(shè)計(jì)師進(jìn)行仿真試驗(yàn)與技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，增加設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)能力；此外，設(shè)計(jì)師通過(guò)CAE技術(shù)預(yù)先評(píng)估汽車結(jié)構(gòu)與性能，降低新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，并代替大部分的試驗(yàn)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，大幅度提升汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

二、汽車領(lǐng)域發(fā)揮CAE技術(shù)的措施

（一）提升對(duì)CAE技術(shù)重視度

汽車制造企業(yè)持續(xù)推進(jìn)內(nèi)部CAE 團(tuán)隊(duì)建設(shè)，并擴(kuò)大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍，深化技術(shù)應(yīng)用深度。汽車CAE技術(shù)與技術(shù)管理共同作用下出現(xiàn)整車碰撞模型，可以通過(guò)這個(gè)模型建立衡量一個(gè)CAE 團(tuán)隊(duì)的能力，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，提升團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)斗力。

（二）逐步完善CAE分析流程

對(duì)汽車制造企業(yè)自身的CAE分析流程進(jìn)行完善、規(guī)范，并建立完整的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。建立分析標(biāo)準(zhǔn)的途徑有兩條：利用試驗(yàn)與仿真對(duì)比，構(gòu)建產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；借鑒其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)建立自己的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)[2]。期間需要做好大量準(zhǔn)備工作，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，推動(dòng)企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

（三）不斷開發(fā)CAE軟件功能

CAE技術(shù)引入后減少試驗(yàn)種類與次數(shù)，形成新的汽車開發(fā)模式，但不能錯(cuò)誤地認(rèn)為CAE技術(shù)可以解決所有問(wèn)題。如果企業(yè)對(duì)CAE技術(shù)應(yīng)用程度不斷加深，就需要二次開發(fā)軟件功能，建立完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有助于推動(dòng)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

三、汽車設(shè)計(jì)中CAE應(yīng)用-以側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例

（一）車門窗框剛度設(shè)計(jì)分析

車門窗框設(shè)計(jì)是整個(gè)汽車車門設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。目前，市面上進(jìn)行車門窗框構(gòu)造設(shè)計(jì)的方式主要有2 種。（1）采用整體式設(shè)計(jì)法。將車門內(nèi)板和窗框劃分成一個(gè)統(tǒng)一整體，然后利用沖壓法，將其直接壓制而成。該結(jié)構(gòu)獲得的精密度極好，而且制造成本低，在早期汽車市場(chǎng)中售賣的汽車，基本上都采用這種一體式門框設(shè)計(jì)；（2）采用拼焊設(shè)計(jì)法。在這種設(shè)計(jì)制作中，將原來(lái)窗框的一個(gè)整體劃分成3段，然后將這3段利用拼合焊接法重新焊制成一個(gè)窗框，這種窗框表面含有多處焊接接頭，而且在制作過(guò)程中對(duì)于焊接的技術(shù)操作要求較高[3]。整個(gè)窗框主體結(jié)構(gòu)采用的是輥壓工藝制作，同樣對(duì)制作工藝技術(shù)要求很高，但這種制作方法所獲得窗框剛度較好，有利于突出汽車窗框造型設(shè)計(jì)，是當(dāng)前汽車市場(chǎng)車門窗框設(shè)計(jì)的主流方式。

圖1窗框設(shè)計(jì)示意圖

如果車門窗框設(shè)計(jì)時(shí)剛度不足可能造成車門產(chǎn)生較大變形，也會(huì)誘發(fā)一系列問(wèn)題，如影響玻璃車窗升降、行駛時(shí)出現(xiàn)異響、隔音效果不理想等，甚至?xí)?duì)乘坐舒適性產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)窗框剛度時(shí)，選擇前門分析，需要考慮A 柱寬度窗框?qū)挾菳柱上部寬度與下部寬度直接影響到窗框剛度，如圖1所示。

表1 3款在售車型車門窗數(shù)據(jù)( )㎜

如表1所示為現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)3款車型的車門窗數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其中緊湊型SUV 車型窗框剛度最好，并設(shè)置有寬大的后視鏡安裝結(jié)構(gòu)，雖然會(huì)讓對(duì)駕駛視野產(chǎn)生影響，但設(shè)計(jì)時(shí)考慮滿足駕駛員視野需求，通過(guò)增加寬度模式提升整體車門窗的剛度[4]。

圖2車前門設(shè)計(jì)，

考察窗框剛度的方式就是將一定荷載施加在B柱角點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)生的位移進(jìn)行測(cè)試，如果位移控制在一定范圍內(nèi)，保證窗框設(shè)計(jì)的剛度。如圖2所示為CAE加載示意圖，窗框角點(diǎn)施加集中荷載，并選擇鉸鏈與鎖扣處約束，對(duì)車門窗框剛度進(jìn)行分析[5]。

（二）車門扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)分析

車門抗扭轉(zhuǎn)能力通過(guò)車門扭轉(zhuǎn)剛度體現(xiàn)出來(lái)。通常情況下車門扭轉(zhuǎn)變形是受到反向載荷出現(xiàn)扭矩作用而造成的。如果汽車行駛在不平的路面上，會(huì)出現(xiàn)車身變形進(jìn)而引發(fā)車框變形。車框變形擠壓作用下造成車門窗框與下角點(diǎn)處產(chǎn)生反向載荷，引發(fā)車門出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。在設(shè)計(jì)時(shí)車門扭轉(zhuǎn)剛度不足，會(huì)造成車門框出現(xiàn)較大程度位移，車輛行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)車門抖動(dòng)，對(duì)車門密閉性等方面產(chǎn)生影響，要重視設(shè)計(jì)車門扭轉(zhuǎn)剛度。

（1）設(shè)計(jì)鎖扣位置。如圖3所示，當(dāng)車門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，鉸鏈與鎖扣3點(diǎn)固定方式，車身變形會(huì)對(duì)車門產(chǎn)生擠壓，再者擠壓力作用下和鎖扣之間產(chǎn)生扭矩。

圖3車側(cè)門設(shè)計(jì)示意圖

當(dāng)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況時(shí)會(huì)在B柱上下角點(diǎn)處產(chǎn)生較大程度的位移。鎖扣位置設(shè)計(jì)直接影響到扭矩饒鎖扣扭轉(zhuǎn)，圖3中 5L和 6L分別是時(shí)鎖扣中心點(diǎn)到上下角點(diǎn)的位置，合適的設(shè)計(jì)需要控制兩者之間的比例，保證鎖扣布置處于均衡狀態(tài)。

表2中給出市場(chǎng)上幾款車型鎖扣位置布局的具體數(shù)據(jù)。通過(guò)分析可以看出 5L和 6L的比例為1.3上下，車門承受扭轉(zhuǎn)載荷上下角點(diǎn)位移較小且更均勻，其中A 級(jí)轎車設(shè)置的鎖扣位置 5L和 6L比例為1.81，位移較大，使得車窗框出現(xiàn)較大程度變形，不利于車床玻璃升降，甚至可能會(huì)出現(xiàn)玻璃異響。

表2車門鎖扣位置布局?jǐn)?shù)據(jù)分析

（2）扭轉(zhuǎn)剛度CAE，扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件為：約束鉸鏈6向自由度，約束鎖扣3向平動(dòng)自由度，載荷施加于鎖扣位置，然后考察上下角點(diǎn)的位移。

四、結(jié)語(yǔ)

總而言之，設(shè)計(jì)汽車側(cè)門結(jié)構(gòu)時(shí)，利用CAE分析項(xiàng)目?jī)?nèi)容，為側(cè)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)。避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證不足造成后期試裝、評(píng)價(jià)等出現(xiàn)問(wèn)題，造成車輛設(shè)計(jì)制造成本增加。文中聯(lián)系實(shí)踐進(jìn)行分析，希望可以為類似研究提供借鑒，推動(dòng)我國(guó)汽車制造產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。