基于有限元分析的车门三维设计①

刘 坤， 郑 培

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

车门是汽车车身上非常重要的部分，和车身之间又相互独立.因此，在车门设计过程中，第一必须保证车门总布置设计与整车设计之间既要相互配合，又要互相协调.第二车门必须保持必要的开度，使上、下车方便.第三车门必须具有足够的刚度来保证车门的正常工作.在设计中应用CAD技术和CATIA软件辅助设计，能为其提供有利条件，更快更好地完成设计.本文运用了汽车专业的理论来解决车门设计过程中出现的相关问题，以某单排皮卡车门为设计对象，利用CATIA软件对车门进行三维设计并对其进行了有限元分析，得到刚度、强度分析结果.

1 车门结构设计

汽车车门是由壳体、附件和内饰盖板组成.壳体按其结构可分为整体式或框架式.车门壳体一般是由内板和外板焊接制成，车门的内、外板则是由厚度为0.65mm至1.0mm的钢板直接冲压而成.设计时，外板外型应与整车协调[1].而车门内板上要有各种形状的孔洞、窝穴和加强筋，这样有利于保证整车的性能要求及便于附件的安装.附件安装完成后，用内饰板将其遮盖.另外，由于车门外形尺寸和车身结构形式在汽车概念设计阶段就已经逐步成形，因此与之相对应的车门总体布置设计(铰链布置、门锁布置、玻璃升降器的布置)也应当同步进行，这是因为车门设计和车身侧围结构的设计是相互照应，互相协调的.车门的基本结构，如图1所示.

图1 车门基本结构组成

2 软件介绍

CATIA软件在其造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解决方案[2].为用户造型需求提供极丰富的造型工具是CATIA软件曲面造型功能的良好体现，比如其特有的Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求[3].

Hyper Works是美国澳汰尔(Altair)公司的有限元结构分析与优化软件，其中Hyper Mesh是一个高性能有限单元前后处理器，它具有无比的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制，大大缩短工程设计分析的周期.

3 车门3D建模

CATIA的自由造型单元有创建曲线和曲面的功能，而且可以对创建的曲线和曲面进行修正操作和外形分析，在汽车造型的正向设计过程中也是非常重要的单元[4].本文采用CATIA软件对车门进行模拟仿真，利用CATIA软件的Part Design模块和Generative Shape Design模块建立车门三维模型.同时对设计元素进行约束(同轴、共面、距离、角度等约束)，以防止弹性元件变形及销轴连接对模型产生影响.利用Assembly Design模块对所设计的零部件进行三维装配.最终得到车门三维设计模型，如图2所示.另外，需注意的是由于车门外板加强板分布位置差异会导致车门的刚度变化[5].因此，在设计时必须充分考虑.

图2 车门三维模型

图3 合格的网格图

4 有限元模型建立与分析

为使车门达到技术参数指标对其进行了有限元分析，找到其最恶劣工况下刚度和强度最薄弱的地方.同时为了满足车门的各项指标要求，进而提高车门的整体性能及刚度要求，必须对其薄弱点进行修改设计.

4.1 模型前处理

把车门几何模型导入有限元分析软件中.去掉小圆角(半径＜5mm);小孔(直径＜20mm);小凸台、凹坑(高度＜5mm).创建模型的材料属性(E=2.1e+5MPa，NU=0.3，RHO=7.8e－ 9)、单元属性集合器(T=0.8).划分的单元格大小设置element=4mm(约为门板厚度的5倍，车门外板厚度为0.8mm)，进行划分网格，检查修正单元.如果划分三维网格中有红色部分则必须进行网格修正，网格颜色为无色为最佳，同时必须控制网格中三角形在5%以内为佳，检测合格的网格(以外板为例)，如图3所示.

4.2 有限元分析模型的创建

创建焊点与螺栓连接，选择主节点和从节点;更新载荷与约束，选择门体前、后边缘，底边的全部节点;创建模型分析工况，选择相应的力和约束;定义控制卡片，分别选择SOL、PARAM进行定义.

有限元建模结果:如图4所示即建立的有限元模型.

图4 车门有限元模型:(a)扭转工况;(b)挤压工况

4.3 车门刚度、强度分析

通过Hyper mesh软件对模型进行求解，分别得到*.op2文件和*.res文件之后，对模型加载后退出并保存，进而完成求解，得到车门在扭转、挤压工况下的变形图及分析结果如图5所示.

图5 车门位移变形图:(a)扭转工况;(b)挤压工况

根据不同工况下的车门变形图，得到以下分析结果列于表1:

表1 不同工况下车门位移量及技术要求

由表1可以看出，该车门符合国家标准.

5 结论

利用CATIA软件辅助进行各部件的虚拟装配，能够实现虚拟设计，很大程度上缩短整车研发周期，是一种高效、可靠的途径在现在汽车设计中.准确的车门有限元模型的建立是有限元分析方法在车门设计中应用的关键之一，而有限元分析结果为验证车门是否符合要求和加强板的布置是否合理提供了参考.

[1]刘自侠.汽车车门设计的探讨[J].天津汽车，2000(02):20－22.

[2]刘盼.燃料电池大客车车身结构分析与优化研究[D].上海:同济大学汽车学院，2009:45－46.

[3]陈国华.基于有限元的汽车车门静态强度刚度计算与分析[J].机械制造与自化，2006(06):21－24.

[4]赵宇明，张国忠，于哲峰.逆向造型设计在汽车车门设计中的应用技术研究[J].工业设计，2005(06):47－49.

[5]Saguaro Yahata.Analysis of Stiffness of Truck Door Panel Effective Arrangement of Stiffeners for Improving Stiffness[J].SAE952678.