基于误用工况的某乘用车车门结构优化.pdf

2023Nov.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 1 月No.11Vol.40第4 0 卷第1 1 期机计设械基于误用工况的某乘用车车门结构优化*沈保山，张美娟，钟兵，游专，孙强（1.无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡214121;2.山东交通学院汽车工程学院，山东济南250357)摘要：为了提高车门在误用工况下的使用性能，文中对车门典型误用工况产生的原因、主要表现形式、造成的后果、预防关注点和主要影响部件等相关内容进行了总结。在此基础上，在考虑了限位器缓冲橡胶非线性、金属材料及边界非线性的条件下，采用有限元法对某乘用车车门的典型误用工况进行了计算，并完成了结果评价、原因剖析及确认、结构优化、理论计算及试验，验证了改进方案的有效性。研究结果表明，综合考虑车门两种典型误用工况，原因分析更清晰和明确，优化方案更综合和有效，可为误用工况下车门性能提升提供方法依据，有利于提高车门性能开发效率。关键词：车门；误用工况；下沉；过开；结构优化中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)1 1-0 1 2 8-0 7Structure optimization of passenger car s door based on misuse conditionSHEN Baoshan,ZHANG Meijuan,ZHONG Bing,YOU Zhuan,SUN Qiang(1.School of Automotive and Transportation,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121;2.School of Automotive Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357)Abstract:In order to improve the door performance under the misuse conditions,efforts are made to summarize the cause,main manifestation,consequence,concern about prevention,affected components,and cause-analysis process of some typical ca-ses.On this basis,with the non-linearity of the guard buffer rubber and the non-linearity of both the metal materials and theboundary,the finite-element method is used to calculate the typical misuse conditions of a passenger cars door;the tasks arecompleted,such as result evaluation,cause analysis and confirmation,structure optimization,theoretical calculation and test,and so on;it is verified that the improved scheme is effective.The results show that after two typical misuse conditions of a pas-senger cars door are explored in a comprehensive manner,the cause analysis is more definite and explicit,and the optimizationscheme is more comprehensive and effective.This study provides basis for the improvement of door performance under the misuseconditions,and is helpful to enhance efficiency in the development of door performance.Key words:car door;misuse condition;sink;overbend;structure optimization车门是人与外界环境的一道屏障，也是驾驶员和乘客出人车辆的通道，其设计质量直接影响整车的造型效果、空气动力学特性、安全性、密封性及噪声等，是汽车车身上相对独立的重要部件,因此,其性能控制一直是车身设计工程中必不可少的重要环节，受到了诸多研究人员的重视,关注与研究车门的刚度1-4 、开闭耐久5-6 、模态7 和轻量化8-9 等性能,有效减少了车窗玻璃升降卡滞、车门卡死、关闭力较大、密封不严而导致的漏风、渗水、异响和隔音效果差等常见问题。但仍有少部分车门因用户的误操作而出现关闭不严或无*收稿日期：2 0 2 2-0 4-1 2；修订日期：2 0 2 3-0 5-1 0基金项目：江苏省产学研合作项目（BY2022826）；教授博士启动基金项目（1 0 4 9 31 2 1 0 1 8）；江苏高校“青蓝工程 资助项目1292023年1 1 月沈保山，于误用工况的某乘用车车门结构优化法关闭的问题，主要表现为因用户的行为习惯导致的车门过开或下沉严重问题。文献1 0 针对某款偏置驾驶室，结合用户实际使用习惯，通过CAE分析和台架试验等手段解决了车门下沉严重问题。文献1 1 对市场中有代表性的车门进行过开试验，总结出了典型过开失效模式，解决了客户对车门过开失效的抱怨。为了提升品牌满意度，防止用户不良习惯造成车门受损，大部分主机厂已将该两种误操作行为纳人在车门性能控制中进行研究。文献1 2 通过台架试验获得了车门、铰链和车身等各单因素下沉量对车门系统整体下沉量的贡献，并验证了改进方案的有效性。文献1 3 以轿车车门为例,分析了螺栓简化方式、螺栓预紧力大小、铰链、车门及车身钣金对车门下沉刚度的影响。文献1 4 通过理论计算及试验等形式明确了通过控制关键焊点和典型小件控制车门下垂的有效性。文献1 5 以某具体车门为例,进行了过开分析及试验，验证了分析模型和试验方法的可行性。以上对两典型误用工况的分别研究，充分说明了进行车门误用工况研究的必要性，但两典型误用工况在关注指标、影响因素和研究方法等方面相互关联,若对其一起研究、综合考量将会起到事半功倍的效果。为此，文中对车身开发中的某基础车的前车门进行了两典型误用工况的有限元计算，并对其存在的问题进行了综合和深人的剖析，提出了具体改进方案，为新车门的开发提供指导。1车门误用工况计算1.1车门误用工况简介误用工况是指部件的工作状态超出了部件的功能范畴,且对部件造成了一定的损害,是相对于正常工况来讲的。车门是驾、乘人员上、下车的通道，正常情况下，在车门打开时，其不需具备承载人员质量或抵抗较大风力而不受损的能力。但有极少部分用户，在车门开启时，借助车门支撑上车、依车门或使其受到风力或其他载荷的过开冲击等情况，造成车门发生沉降、变形和金属损伤，导致车门无法顺利开、关，甚至影响整个车门系统的密封性及隔音性能等。所以，通常将这种过下沉和过开启的典型工况定义为车门误用工况，利用该工况考察车门在打开状态下受到较大外载荷时的刚度及损伤状况，即车门在一定垂向或车门开启方向力的作用下的位移及卸载后的残余位移和应变，以反映车门、车身侧围、铰链系统和限位器抵抗超负荷力作用的能力，也正是因为是偶发且超负荷的错误使用工况，其残余应变控制标准通常为小于2%即可。1.2有限元模型建立建立包含前车门、铰链总成、限位器及部分车身在内的车门处于6 5装配状态（限位器刚起作用）的有限元模型作为误用工况计算的统一模型，如图1 所示。图1误用工况计算用有限元模型该模型中，车门、车身、限位器的钣金件均采用壳单元划分，对其进行几何修复、几何清理、抽取中面和几何简化后，采用单元尺寸为6 mm的网格离散，对铰链及限位器转柱采用单元尺寸为3mm的六面体实体网格划分。根据车门总成的实际装配关系，将车门内板和外板包边边界处的节点进行耦合，将包边公共部分简化为一层网格，厚度定义为2 倍的外板厚度与内板厚度之和,以此来模拟内、外板的包边结构；采用ACM类型的焊点模拟点焊连接关系；采用Adhesives类型模拟车门外板与其加强板间的胶黏连接；采用刚性单元模拟螺栓连接；采用Hinge单元模拟车门和车身铰链、限位器铰链的销轴连接关系，同时保证Hinge单元位于车门铰链和限位器铰链的设计轴线上，以保证车门能够正确开、闭。因铰链及限位器安装位置的刚度对计算结果影响较大，所以铰链安装位置处的车门内板与加强板、侧围板与其加强板、铰链与侧围外板和车门内板、限位器部件间及限位器与侧围等部件间均建立接触关系，且铰链限位面间也建立接触关系，如图2 所示。限位器缓冲橡胶的刚度决定了限位器在过开工况下分担的过开力，文中采用2 0 个Translator连接单元模拟限位器缓冲橡胶，并赋予其橡胶实测刚度除以2 0的刚度曲线，以提升仿真的准确度，模型如图3所示。第4 0 卷第1 1 期130计机设械该区域内存在接触关系铰链限位面间的部件间均建立接触建立接触车门铰链车身饺链车门内板车身外板限位器座图2接触区域示意缓冲橡胶图3限位器结构及有限元模型该模型共生成1 9 3355个节点，1 8 4 2 6 3个单元，三角形单元比例为2.1%。为各部件附上相应的材料属性及厚度，因误用工况比较恶劣，允许部件发生较小屈服，所以材料属性应包含材料的应力-应变曲线。1.3车门误用工况定义因该误用工况涉及到边界和材料非线性问题，容易产生不收敛问题，所以，文中采用ABAQUS软件对求解器进行工况定义和求解，并在每个分析步中都使用了Controls关键字,以提升该分析的收敛性能,具体工况定义如下：(1）下沉工况定义分3个分析步，均采用Static分析方法。第1 个分析步为起始分析步：约束车身断面上所有节点的全部自由度及车门锁扣位置上开启方向的移动自由度，防止车门在载荷作用下绕转轴旋转而导致计算无法收敛；第2 个分析步为车门的加载工况：除车门所受重力作用外，在锁点位置沿整车垂向方向施加800N载荷，使车门下沉；第3个分析步为下沉卸载工况：移除重力及加载在锁点位置上的载荷。其工况定义模型如图4 所示。F=800kNSPC:1-6SPC:1图4下沉工况定义模型(2)过开工况定义分3个分析步，均采用Static分析方法。第1 个分析步为起始分析步：约束车身断面上所有节点的全部自由度；第2 个分析步为车门的加载工况，除车门所受重力作用外，在锁点位置沿车门开启方向施加50 0 N载荷，强迫车门继续开启；第3个分析步为过开卸载工况：移除加载在锁点位置上的载荷。其工况定义模型如图5所示。SPC:1-6F=500kN图5过开工况定义模型1.4车门误用工况计算结果（1）下沉工况计算结果下沉工况最大载荷下的位移、卸载后的残余位移及残余应变等云图如图6 所示，U,U3+3.448e+00+1.9916+00+5.347e-01-9.220e-01-2.3790+00-3.835e+00-5.2920+00-6.7498+00-8.2068+00-9.662e+00-1.1120+01-1.258e+01-1.403e+01（a）最大位移云图U,U3+1.506e-01+1.962e-02-1.114e01-2424e-01-3.7330-01-5.043e-01-6.3538-01-7.663e-01-6.973e-01-1.028e+00-1.159e+00-1.290e+00-1.421e+00（b）残余位移云图PEEQSNEG,(fretion-.1.0)(Av9:75%)+1.845e-02+1.6920-02+1.539e-02+13840-02+1.230e-02+1.0770-02+9.227-03+7.689e-03+6.1526-03+4.6146-03+3.076e-03+1.538e-03+0.0000+00（c）残余应变云图图6下沉工况计算结果云图1312023年1 1 月沈保山，等误用工况的某乘用车车门结构优化由图6 可以看出，该车门加载点的最大位移和残余位移分别为1 2.9 3和1.31 mm，最大残余应变为1.85%，抗下沉性能未达到企业要求。（2）过开工况分析结果过开工况最大载荷下的位移及卸载后的残余位移及残余应变等云图如图7 所示。U,U2(T6363;SYS_LOCK_DOOR_R)+1.2120+02+1.1070+02+1.003e+02+8.980e+01+7.933e+01+6.886e+01+5.839e+01+4.792e+01+3.7460+01+2.699e+01+1.6520+01+6.053e+00-4.415e+00（a）最大位移云图U,UZ(T6363;SYS_LOCK_DOOR_R)+2361e+01+2:139e+01+1.916e+01+1.693e+01+1.4716+01+1.248e+01+1.025e+01+8.024e+00+5.7978+00+3.570e+00+1.343e+00-8.845e-01-3.1126+00（b）残余位移云图PEEQSNEG,(fraction=-1.0)(Avg:75%)+2:971e-02+2:7230-02+2.4760-02+2:228e-02+1.9806-02+1.733e-02+1.485e-02+1:2380-02应变最大位置+9.9020-03+74278-03+4.9518-03+24760-03+0.000e+00（c）残余应变云图图7过开工况计算结果云图由图7 可知，该车门加载点的最大位移和残余位移分别为1 1 2.6 8 和2 1.8 0 mm，并由此得到其最大过开角度、卸载后残余角度分别为7.1 4 和1.39，满足要求；最大残余应变为2.9 7%（2%），不满足要求。2原因分析及确认2.1初步原因分析车门下沉和过开工况虽然是载荷作用方向及大小不同的2 种工况，但其影响因素存在共同点，即其性能均受到车门、侧围及铰链等部件各自刚度的影响。同时，下沉和过开性能又分别受到铰链间距和限位器性能的显著影响。由过开分析结果可以看出，该车门的整体过开性能尚可，只是侧围上限位器座固定处的残余应变超出要求，仅需进行局部加强即可满足要求。所以，由此可初步判断公共影响因素不是下沉性能较差的主要原因，需要从其自身个性化影响因素上寻找原因，如铰链间距及结构设计合理性等。2.2原因确认（1)过开工况原因确认将限位器座加强板（图8）厚度由1 mm调整为2.5mm后，对其进行过开计算，得到的最大过开角度、残余角度和残余应变分别为6.4 9,0.8 2 和1.34%，性能提升明显，均达到设计要求。A柱加强板限位器座加强板焊点图8限位器座加强板及连接关系图（2）下沉工况原因确认经分析，铰链厚度为1 0 mm的铸件，其垂向刚度大于参考车门铰链的刚度，但两铰链的间距L。仅为290mm，该距离与轴线和门锁间距的比值小于1/3，很难保证车门下沉性能，且将使铰链受力状态恶化。同时，下沉载荷作用平面与铰链旋转轴线距离L较大，如图9 所示，在载荷作用下，下车门铰链绕轴线旋转，车门发生扭转,抵抗外载荷能力降低。鉴于以上原因，在不影响车身造型的情况下，进行如下改进：将铰链间距L。增加35mm；在保证铰链旋转轴线位置不变的前提下，将L间距缩短1 5mm。铰链轴线力作用点与铰链安理想位置装点形成的平面图9铰链问题分析示意图132第4 0 卷第1 1 期机计设械对改进后方案进行计算，其结果如表1 所示。表1改进前、后车门下沉性能对比最大位移/mm残余位移/mm最大应变/%改进前改进后改进前改进后改进前改进后计算值12.938.321.310.641.850.69由表1 可知，下沉性能改进效果明显，但最大位移仍未满足小于8 mm的要求。在以上主要因素无法继续改进的情况下，需要再寻找系统的薄弱部分。为此，建立了如下两个差异模型。其中，方案1 仅包含车门总成，方案2 包含车门总成及铰链。进行下沉计算时，仅将原车身断面处的约束分别更改为车门铰链安装点和车身铰链安装点的全约束即可，如图1 0 和图1 1 所示。F=800NSPC:1-6SPC:1SPC:1-6图1 0方案1 有限元模型F=800NSPC:1-6SPC:1SPC:1-6图1 1方案2 有限元模型对方案1 和方案2 进行计算后，与参考车门系统相应状态的计算结果进行汇总，如表2 所示。表2不同车门总成及参考车门下沉性能对比最大位移/mm残余位移/mm最大应变/%车门系统参考参考参考总成本车门本车门本车门车门车门车门方案11.403.610.02580.5730.2550.19方案24.124.150.3320.8100.6560.11带车身及铰链8.326.610.640.9610.6900.129残余位移和最大应变反映了系统内部局部刚性过渡及材料选择的合理性，而最大位移体现了系统的整体刚性,是参考意义最大的一个指标。由参考车门与本车门各状态的最大位移数值进行对比后可知，除铰链原因外，车身刚度是影响车门下沉性能的重要原因，存在提升空间。3结构优化及改进效果预测3.1结构优化焊点连接经过对车身侧围部分的分析，在A柱加强板上新增加一个加强板，以提升误用工况下的车门结构性能。具体结构及连接关系如图1 2 所示。新增加强板A柱加强板焊点连接图1 2新增加强板结构及连接关系图3.2改进效果预测对图1 2 改进方案进行计算，其结果云图如图1 3所示，计算结果如表3所示。U,U3+2.342e-01-3.9880-01-1.0320+00-1.665e+00-2.298e+00-2.931e+00-3.5638+00-4.196e+00-4.829e+00-5.462e+00-6.095e+00-6.728e+00-7.361e+00（a）最大位移云图U,U3+9.912e-03-2.501e-02-5.993e-02-9.485e-02-1.298e-01-1.647e-01-1.996e-01-2:345e-01-2.694e-013.044e-01-3.393e-01-3.7428-01-4.0918-01（b）残余位移云图PEEQSNEG,(fracbon=-1.0)(AVg:75%)+6.3460-03+5.818e-03+5.289e-03+4.7600-03+4.2310-03+3.702e-03+3.173e-03+2.6446-03+2115e-03+1.587e-03+1.0580-03+5.2890-04+0.000e+00（c）残余应变云图图1 3改进方案下沉工况结果云图1332023年1 1 月沈保山，等误用工况的某乘用车车门结构优化表3改进前、后车门下沉性能对比最大位移/mm残余位移/mm最大应变/%改进前改进后改进前 改进后改进前改进后计算值12.936.851.3100.3721.850.63由表3可知，车门下沉性能提升明显，各项指标已满足设计要求。按照前述方法对改进后结构进行过开工况计算，最大过开角度、残余角度和残余应变分别为6.1 1，0.69和1.31%，各结果云图如图1 4 所示U,U2(T6363;SYS_LOCK_DOOR_R)+1.033e+02+9.452e+01+8.575e+01+7.699e+01+6.822e+01+5.946e+01+5.069e+01+4.192e+01+3.316e+01+2.439e+01+1.563e+01+6.861e+00-1.905e+00（a）最大位移云图U,U2(T6363;SYS_LOCK_DOOR_R)+1.189e+01+1.082e+01+9.757e+00+8.693e+00+7.629e+00+6.565e+00+5.500e+00+4.436e+00+3.372e+00+2.308e+00+1.244e+00+1.795e-01-8.847e-01（b）残余位移云图PEEQSNEG,(fraction=-1.0)(Avg:75%)+1.308e-02+1.199e-02+1.090e-02+9.806e-03+8.717-03+7.627e-03+6.538e-03+5.448e-03+4.358e-03+3.269e-03+2.1790-03+1.090e-03+0.000e+00（）残余应变云图图1 4改进方案过开工况结果云图4讠误用工况性能试验为了验证性能改进方案的有效性，总结误用工况性能提升方法，对改进前、后的车门分别进行了下沉工况试验，如图1 5所示。(a)车身门槛固定示意(b)车门限位及加载位置示意图1 5车门下沉试验现场采用C形夹及压板固定车身门槛，使车门处于65最大开启角度，利用推杆及支座做好内、外侧限位，防止其绕铰链轴线旋转。在门锁处施加载荷，采用力传感器和位移传感器测量加载点的力和位移，并与有限元计算结果进行对比，如表4 所示。表4 车车门下沉工况计算与试验结果对比载荷/N结构状态200400600800计算3.556.169.1412.93原结构位移/mm试验3.966.8210.5314.45计算2.053.515.086.85改进结构位移/mm试验2.624.085.767.72由表4 可知，仿真值与试验值存在一定差异，尤其当力值较大时，平均误差为1 2.2%，但反映出的改进效果是一致的，也充分体现了原因分析及改进方案的有效性。产生该误差的主要原因为：仿真模型存在一定的简化，且实际板材厚度、材料曲线、制造、装配等工艺与有限元模型存在差异,因此,仿真分析结果与试验结果存在差异是不可避免的。但是，由仿真结果提取出来的改进方向是正确的，可以有效指导优化设计5结论（1)介绍了车门典型误用工况产生原因、主要表现形式、造成的后果、预防关注点和主要影响部件等相关内容，并在此基础上总结和实践了典型误用工况原因分析过程。首先，消除较为明显的个性化因素的影响，并以整体刚度为依据，综合考虑两种工况的性能，判断主要原因是否为公共影响因素；然后,以性能较差工况为研究对象，通过差异模型计算结果对比确认次之的影响因素;最后,深人研究相应影响因素的结构细节，有针对性地提出改进方案。134机第4 0 卷第1 1 期计设械(2)以某乘用车车门为研究对象，在考虑限位器缓冲橡胶非线性、金属材料及边界非线性的条件下，对该车门的两种典型误用工况进行了有限元非线性计算、结果评价及原因分析。（3)就影响误用工况性能的个性化主要因素及公共因素提出了相应的优化方案，并在理论上验证了改进方案的有效性。（4)对改进前、后的车门结构分别进行了下沉试验，并与有限元计算结果进行了对比及原因分析，证实了原因分析正确，改进方案有效，为误用工况下车门性能提升提供了参考。参考文献1王力.CAE技术在汽车车门结构性能设计中的应用J.汽车工程师,2 0 1 51)：31-35.2印明勋，刘莹，王峻峰.车门防撞梁结构形式对车门性能影响的分析J.汽车工程师，2 0 1 9（4）：4 3-4 6.3田国富，张家兴.某乘用车车门静态刚度与模态分析J.制造业自动化，2 0 2 0,4 2（4）：56-6 0.4顾海明，贺永龙，娄磊.乘用车车门结构性能有限元分析J机械研究与应用，2 0 2 0,33（6）：1 0 4-1 1 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