基于有限元法的轿车车门预变形仿真分析

崔新涛 张兵

（天津一汽夏利汽车股份有限公司）

在车身设计时，车身总成三维数模中的车门，表征的是车门关闭并且受密封胶条压缩反力变形后的状态，而在实际制造车门分总成时，需要按照变形前车门的数模进行冲压和装焊。车门预变形分析的几何精度直接影响车门的密封、外观尺寸面差及车门关闭力等多个性能[1]。目前车门预变形分析大多是依靠经验方法，先给车门窗框处变形量设定一个固定的经验值，然后样条插值得到整个车门的预变形，该方法无法考虑车门实际的刚度分布以及密封胶条压缩力的大小，不能得到车门各个位置准确的预变形量。文章提出了基于有限元方法的轿车车门预变形仿真分析方法，利用沿着密封胶条发泡中心线离散分布的弹簧单元模拟密封胶条的刚度，使用弹簧单元约束端施加强迫位移的方法模拟密封胶条压缩力，用有限元方法计算得到整个车门的位移分布。以某轿车前车门为例，分析了密封胶条刚度、数量及车门刚度对车门预变形的影响。

1 车门预变形仿真分析方法

轿车车门预变形分析是指在车门关闭状态下的设计三维数模基础上，考虑密封胶条反力使车门发生变形的影响，反推得到车门总成在变形前的制造三维数模的过程[2]。图1示出某轿车前车门分总成及密封胶条示意图，其中坐标系为整车坐标系，即x向为整车前后方向，y向为整车左右方向，z向为整车上下方向。该车门有主密封胶条和副密封胶条2圈。当车门关闭时，密封胶条的发泡被压缩并与钣金紧密贴合，从而起到密封的作用，而车门会受到密封胶条作用的压缩反力发生变形。

用单自由度零长度的弹簧单元模拟密封胶条。先抽取密封胶条发泡的中心线，然后沿中心线离散分布n个弹簧单元。每个弹簧单元有2个节点，其中一个节点与车门连接，另一个节点施加y向平动约束。利用CAE前处理软件HyperMesh，可以方便快捷地建立弹簧单元。

模拟密封胶条的弹簧单元刚度可由式（1）计算：

式中：K0——弹簧单元刚度，N/mm；

L——密封胶条总长度，mm；

K——密封胶条每100 mm的刚度，N/mm；

n——弹簧单元的数量。

车门关闭时，密封胶条的发泡主要受y向压力并发生压缩，因此在弹簧单元的约束端节点上施加y向强迫位移模拟密封胶条压缩力，强迫位移数值为发泡的压缩量。

建立前车门预变形仿真分析的有限元模型，如图2所示。使用长度为5 mm的壳单元对车门钣金件进行离散，使用CWELD单元模拟点焊，RBE3和体单元模拟车门减振胶。模型包括车门钣金、车门铰链及密封胶条。在车门铰链与车身A柱连接部位约束所有平动与转动自由度，在车门锁处约束3个平动自由度，在模拟密封胶条的弹簧单元约束端施加y向强迫位移，利用有限元计算得到车门的预变形量。

2 仿真结果与分析

不同车型的车门在设计时，其密封胶条的刚度、数量及车门的刚度3个因素各不相同，文章以某轿车前车门为例，对比分析上述因素对车门预变形量的影响。

2.1 密封胶条刚度的影响

密封胶条的刚度由密封条的材料、截面形状及压缩量等因素共同决定，密封胶条的刚度一般在设计初期按照一定的范围定义。假定只有主密封条，此车门密封胶条的发泡压缩量为4.9 mm。主密封胶条总长度为3 459 mm，弹簧单元间隔为20 mm，使用173个弹簧单元模拟密封胶条。分别计算每100 mm密封胶条刚度为2.25，3.50 N/mm时的车门预变形。根据式（1）计算得到2种密封胶条刚度时的弹簧单元刚度分别为0.450，0.700 N/mm。利用图2建立的车门有限元模型进行计算，得到车门的预变形分布，如图3所示。

从图3可以看出，该前车门最大预变形量位于窗框中部，窗框以下结构的变形量很小；主密封胶条刚度为2.25，3.50 N/mm时的车门预变形分布模式虽然相同，但两者最大预变形量不同，分别为1.67，2.50 mm，并且车门各部位的预变形量也不同。

2.2 密封胶条数量的影响

一般的，A级以上级别的轿车车门使用主副两道密封胶条，而低端轿车受成本压力仅使用一道主密封胶条。

在2.1节主密封胶条计算的基础上，增加1道副密封胶条，其位置如图1所示。假定主副密封胶条刚度为2.25N/mm，副密封胶条总长度为3663mm，使用185个弹簧单元离散，则根据式（1）计算得到每个弹簧单元的刚度为0.446N/mm。计算得到车门预变形分布，如图4所示。

对比图3和图4可知，增加副密封条后，对车门整体的预变形量影响较大，最大预变形量从1.67 mm增加为2.87 mm，实际设计时往往需要增加车门刚度。

2.3 车门刚度的影响

车门及窗框的结构形式对车门刚度影响较大，为研究车门刚度对预变形量的影响，采用改变窗框钣金厚度的方法改变车门的刚度。该前门窗框钣金的厚度为0.8 mm，在2.2节计算模型的基础上，将窗框板件厚度增加至1.0mm，计算得到的车门预变形分布，如图5所示。

对比图4和图5可知，车门刚度增加后，车门最大预变形量从2.87 mm减小为2.58 mm，表明车门预变形量随车门刚度的增加而减小。

3 结论

1）不同的轿车车门由于密封胶条刚度、数量及车门刚度不同，车门的预变形量不同，在车门窗框处设定固定的变形量的传统经验方法是不准确的；

2）相对于传统经验方法，基于有限元仿真的预变形分析方法，能得到车门各个部位的预变形分布及较准确的预变形量，从而提高车门变形前制造数模的几何精度。