汽車車門輕量化研究與分析

汽車車門輕量化研究與分析,汽車,車門,量化,研究,鉆研,分析 目錄 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車車門輕量化研究分析 　　　　　　　　 學(xué)生姓名： 二級(jí)學(xué)院： 班　　級(jí)： 提交日期： 1 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1介紹車門的結(jié)構(gòu) 1 1.2 介紹汽車輕量化實(shí)施途徑 1 1.3 介紹汽車車門輕量化的研究現(xiàn)狀 2 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容和研究意義 3 2 乘用車車門的三維建模 5 2.1 車門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 5 2.2 車門的三維建模 6 2.3 本章小結(jié) 8 3 車門有限元模型的建立 10 3.1 導(dǎo)入模型 10 3.2 選擇材料 10 3.3 網(wǎng)格劃分 11 3.4 施加約束及載荷 13 3.5車門的靜剛度分析 13 3.6 本章小結(jié) 17 4 車門的優(yōu)化分析 19 4.1 車門的剛度優(yōu)化 19 4.2 優(yōu)化后的結(jié)果分析 20 4.3 車門碰撞的時(shí)序分析 21 5 總結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 24 致 謝 25 II 1 汽車車門輕量化研究分析 摘 要 車門作為車身的重要的組成部分，在汽車中起到很重要的角色，不僅僅與車身構(gòu)成乘客的生存空間，而且也是保證車內(nèi)乘客安全性和舒適性的重要前提，并且還應(yīng)該有足夠的剛度，來(lái)承受側(cè)面碰撞的能力。同時(shí)，車門材料的運(yùn)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化影響著汽車行駛的安全性和舒適性，因此，在確保車輛的車門在符合汽車車門安全性能設(shè)計(jì)的前提下，將車門的輕量化應(yīng)用在汽車工業(yè)中，就顯得極其重要。根據(jù)所提出的條件，本文章主要分析車門的三大內(nèi)容。首先，概括下國(guó)內(nèi)外車門研究的發(fā)展趨勢(shì)，并介紹車門的研究意義和車門內(nèi)外板材料的運(yùn)用及防撞梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其次，建立了乘用車車門的三維模型。最后，主要運(yùn)用上述的結(jié)果對(duì)汽車車門與傳統(tǒng)車門相比較進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到車門輕量化的目的，并且提高汽車在行駛過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性。 本文的研究分析表明:對(duì)汽車車門內(nèi)外板材料的運(yùn)用及防撞梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠減輕車門質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車車門的輕量化。 關(guān)鍵詞：車門；輕量化；剛度分析；結(jié)果優(yōu)化分析 I 1 Research into the lightweight car door Abstract As an important part of the body of the car door, Play a very important role in the car, Not only with body constitute the passengers' living space, But also guarantee the important precondition for the car passenger safety and comfort, And there should be enough stiffness, Ability to withstand side impact. At the same time, The door of the use of the materials and structure optimization affects the safety and comfort of the car, so, In ensuring that the door of the vehicle on the premise of safety performance in line with the car door design, The application of the lightweight of the door in the automotive industry, It is extremely important. According to the proposed condition, This article mainly analyzes the three major contents of the door. First of all, Summarizes the development trend of next door at home and abroad research, and The door to introduce the research significance and The use of inside and outside the door plate material and the structure optimization of anticollision beam. The second, The 3 d model of passenger car door is established. The last, Mainly use the results for the car door with Compared to traditional doors were optimized, In order to achieve the purpose of lightweight door, And improve the economy in the process of car on the road. In this paper, the research analysis: The use of inside and outside of the car door plate material and Anticollision beam structure optimization, Can be reduced the weight of the door, Lightweight of automobile door. Key words: The car door; lightweight; stiffness analysis; results optimization analysis I 1 第1章 緒論 1 緒 論 1.1介紹車門的結(jié)構(gòu) 車門作為汽車車身上的活動(dòng)件，同時(shí)也是在整體式中起到封閉式的部件。車門由三大部分組成，分別是車門門體、車門附件和內(nèi)飾蓋板[1]。車門門體由車門外板、車門內(nèi)板、車門加強(qiáng)橫梁、車門窗框和車門加強(qiáng)版組成；車門附件由車門限位器、車門鉸鏈、門鎖機(jī)構(gòu)及內(nèi)外手柄、門玻璃、玻璃升降器和密封條組成；內(nèi)飾蓋板由固定板、芯板、內(nèi)飾蒙皮和內(nèi)扶手組成。如圖1.1所示。 如圖1.1 車門結(jié)構(gòu) 1.2 介紹汽車輕量化實(shí)施途徑 現(xiàn)代化汽車的發(fā)展，在追求安全、舒適、環(huán)保等各個(gè)方面，汽車的各個(gè)層面都在精益求精，但同時(shí)，汽車上的電器裝置，比如行車電腦顯示屏、車載電話、空調(diào)、音響等設(shè)備都已經(jīng)成為低檔車的標(biāo)準(zhǔn)配置，從而也就導(dǎo)致汽車的整車質(zhì)量大幅度上升。為了將汽車整車減重，設(shè)計(jì)師們通過(guò)研究大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將汽車整車質(zhì)量減重，以提高汽車在行駛過(guò)程中的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，并且減少汽車燃料不完全燃燒的產(chǎn)物和有害的氧化物。在其制造成本及現(xiàn)有制造技術(shù)條件所允許的限定范圍之內(nèi)，技術(shù)員們通過(guò)各種實(shí)施路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車整體的輕量化。雖然汽車輕量化的途徑各式各樣，但結(jié)合國(guó)內(nèi)、外汽車輕量化的研究現(xiàn)狀，目前在運(yùn)用汽車輕量化的實(shí)施途徑上有三大措施。 (1)實(shí)施簡(jiǎn)化汽車結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化 目前,在落實(shí)汽車輕量化的途徑中，新型材料的使用很多，但新材料的使用 I 也隨之帶來(lái)了缺點(diǎn)，比如新材料的開(kāi)發(fā)時(shí)期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)費(fèi)用高、制造技術(shù)高，很大地限制了在實(shí)施汽車輕量化途徑中的運(yùn)用。同時(shí)，汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也極其廣泛，在其技術(shù)上也相對(duì)比較嫻熟，這也是首先對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的原因。 然而結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提，是符合汽車車門的安全性能的情況下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)車門結(jié)構(gòu)上的尺寸來(lái)優(yōu)化，汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化又通過(guò)兩個(gè)方面的內(nèi)容來(lái)表現(xiàn)，一是尺寸上的優(yōu)化，二是形狀上的優(yōu)化，二者相比較而言，尺寸優(yōu)化是通過(guò)車門的截面厚度來(lái)優(yōu)化，而形狀優(yōu)化是使得車門內(nèi)部的受力情況都均勻化[2]。 對(duì)車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)的周期短，而且優(yōu)化的研發(fā)成本比較小，所以從輕量化的結(jié)果上看還是會(huì)優(yōu)先考慮。對(duì)車門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是依靠對(duì)車門結(jié)構(gòu)及相對(duì)零部件的優(yōu)化，使得車門部件小型化、薄壁化和復(fù)合化。從而達(dá)到輕量化的效果，然后校驗(yàn)時(shí)利用CAE技術(shù),來(lái)確保設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)融合進(jìn)了汽車設(shè)計(jì)的前期開(kāi)發(fā),能夠大大地縮短開(kāi)發(fā)周期,降低成本,提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。 (2)通過(guò)使用新材料實(shí)現(xiàn)汽車輕量化 據(jù)相關(guān)人士統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代轎車中車身所用材料占自重 90%的有六個(gè)大因素，鋼鐵約占55%至60%，鑄鐵約占12% 至15%，塑料約占8%至12% , 鋁約占6%至10%，復(fù)合材料大約占了4%，陶瓷及玻璃大約占3%，剩余10%的重量是一些其他材料[2]。同時(shí)，鋼材的運(yùn)用在汽車自重比例上成下降趨勢(shì)，輕質(zhì)材料的使用在不斷攀升。所以，輕質(zhì)材料的使用將會(huì)是汽車輕量化的發(fā)展形勢(shì)。 由于車門內(nèi)外板的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)定型，所以從車門結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，不容易減輕車門的自重，因此需要通過(guò)使用新材料實(shí)現(xiàn)汽車車門的輕量化，如結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、復(fù)合材料和鎂合金等，來(lái)使得在選用材料的時(shí)候，將車門的質(zhì)量減輕。由于考慮到復(fù)合材料制造工藝的特殊處，使用復(fù)合材料應(yīng)用在車門的內(nèi)外板上，明顯不符合要求。因此，在此只采用高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鎂合金來(lái)做車門的輕量化的研究分析。 (3)依靠新工藝實(shí)現(xiàn)汽車輕量化 相對(duì)于車門較復(fù)雜的零部件而言，卻無(wú)法通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，只能依靠新工藝實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。而在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，也需要融入先進(jìn)的工藝以及先進(jìn)的制造技術(shù)，同時(shí)，新工藝的出現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的程度上，提供了更多的技術(shù)幫助。如果新工藝落實(shí)到車門在初期設(shè)計(jì)的前提下，在車門結(jié)構(gòu)上能夠得到合理的利用，從而可以減少開(kāi)發(fā)的周期。目前的輕量化工藝有兩大類，一是制造工藝，二是工藝革新。零件的工藝革新，通過(guò)這兩大類工藝，不僅僅能夠減少產(chǎn)品的質(zhì)量，而且能夠降低成本以及縮短周期。在實(shí)施汽車輕量化的過(guò)程中，一般通過(guò)優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)、運(yùn)用新材料，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，但顯然使用新工藝來(lái)追求汽車的輕量化是不可缺少的。 1.3 介紹汽車車門輕量化的研究現(xiàn)狀 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 在二十世紀(jì)初，汽車輕量化技術(shù)在當(dāng)時(shí)并不被看好。那時(shí)喜愛(ài)汽車的認(rèn)為汽車自重越大越安全，所以導(dǎo)致在制造后汽車的自重達(dá)到1500kg[3]。當(dāng)時(shí)的汽車在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)在運(yùn)輸方面，為了在行駛和維修時(shí)的方便，設(shè)計(jì)師們使用鋼鐵等材料作為汽車的構(gòu)造，從而導(dǎo)致汽車自重非常大。隨著全世界各地石油嚴(yán)重短缺,同時(shí)隨著汽車的快速發(fā)展，人們才意識(shí)到并開(kāi)始汽車輕量化的研究,并將相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用在汽車上，汽車的總體質(zhì)量才開(kāi)始逐漸下降。 隨著汽車結(jié)構(gòu)上優(yōu)化、新工藝技術(shù)以及新材料技術(shù)的應(yīng)用，汽車輕量化才得以實(shí)現(xiàn)，而且開(kāi)始逐步應(yīng)用在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，汽車輕量化技術(shù)從此得到一個(gè)持續(xù)的發(fā)展。據(jù)相關(guān)人士統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代初，美國(guó)中型大小的汽車的平均整車自重達(dá)到1520kg，到了 90 年代末，平均整車自重達(dá)到1230kg，大概下降了300kg[2]。而通過(guò)資料顯示，如果美國(guó)汽車的自重減少25%，燃油的消耗將減少到13%，一年可以節(jié)省大概2.7億桶石油，減少二氧化碳的排放達(dá)到1.01億噸[2]。 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，才會(huì)有汽車時(shí)代的到臨。目前，我國(guó)已經(jīng)成為消費(fèi)與制作一體的大國(guó)，但是在汽車制造技術(shù)上而言，國(guó)內(nèi)的制造技術(shù)已經(jīng)很完善，而在汽車輕量化技術(shù)、排放及控制技術(shù)的水平上，和歐美相比較還有很大的上升空間。雖然我國(guó)輕量化技術(shù)在國(guó)內(nèi)是后期之秀，但最近幾年輕量化的快速發(fā)展，也取得很大的成就。如王偉[4]《汽車車門輕量化及側(cè)面碰撞安全性能研究》一文中指出，在車門上進(jìn)行碰撞防真分析，使用有限元軟件，對(duì)車門的防撞梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)?；粜⒉╗1]《基于新型板材的汽車車門輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)》本文針對(duì)轎車車門，進(jìn)行輕量化研究分析，使得車門在滿足靜剛度的性能要求的情況下，進(jìn)行質(zhì)量最小化的設(shè)計(jì)。 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容和研究意義 本文從汽車輕量化這一角度，對(duì)汽車新材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新工藝，分別作出相應(yīng)的研究并且分析。根據(jù)當(dāng)前汽車工業(yè)的輕量化技術(shù)和行內(nèi)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并使用有限元分析技術(shù)，對(duì)車門進(jìn)行了有限元分析，同時(shí)提出合理的輕量化優(yōu)化技術(shù)。以下是本文研究分析方向： (1)車門的研究現(xiàn)狀。首先介紹本課題的研究背景以及國(guó)內(nèi)外輕量化車門的研究現(xiàn)狀，并說(shuō)明本課題研究的主要內(nèi)容和研究意義。 (2)車門三維模型的建立。首先介紹車門的結(jié)構(gòu)及其概述，對(duì)車門材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行運(yùn)用，并建立車門的三維模型。 (3)車門的有限元分析。首先對(duì)車門進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，材料的選取，利用有限元軟件對(duì)車門進(jìn)行前處理，建立車門的有限元模型。 (4)車門剛度分析與優(yōu)化。首先對(duì)車門的剛度進(jìn)行分析，驗(yàn)算車門的剛度是否在安全設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，同時(shí)對(duì)汽車的車門進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到車門結(jié)構(gòu)輕量化和提高經(jīng)濟(jì)性的目的。 隨著汽車產(chǎn)量的增加，汽車工業(yè)發(fā)展的愈來(lái)愈快，給社會(huì)帶來(lái)便利的同時(shí)，也讓汽車產(chǎn)業(yè)陷入了危機(jī)，石油等不可再生資源的消耗，使得資源越來(lái)越少。同時(shí)由于汽車排放控制的技術(shù)的落后，也使得全球環(huán)境污染的嚴(yán)重性。如今全世界的石油消耗量，第一是美國(guó)，其次是中國(guó)。我國(guó)進(jìn)口的石油占50%，其中在汽車中利用率占30%的石油。對(duì)外使用石油的依存度已經(jīng)超過(guò)了50%，汽車保有量的增加是導(dǎo)致我國(guó)石油急速攀升的一個(gè)主要原因。與其他國(guó)家相比較而言，我國(guó)在汽車輕量化技術(shù)上還存在一定的距離。但近年，由于環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，不但輕量化技術(shù)有所提高，而且在汽車排放控制技術(shù)上也取得很大的成果。 對(duì)汽車本身的性能來(lái)說(shuō)，降低自重，有利于緩解汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞，提升行駛過(guò)程的穩(wěn)定性。汽車材料的運(yùn)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以有效的降低車輛的整車質(zhì)量，同時(shí)又能提高汽車在行駛過(guò)程的舒適性和安全性，并且提高了汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。據(jù)推算：如果汽車整車質(zhì)量降低百分之十，其燃油效率可提高百分之六至百分之八，而且燃油消耗率將減少百分之十，排放量將降低百分之五到百分之六[2]。此外，汽車車身的制造費(fèi)用大概占投資成本的百分之六十，而目前的汽車車身零件絕大多數(shù)是沖壓成型的構(gòu)件，其質(zhì)量大概占車輛自重的百分之三十到百分之四十，而且在空載的情況下，大概有百分之七十的油耗在車身本身的質(zhì)量上[2]。 18 第2章 乘用車車門的三維建模 2 乘用車車門的三維建模 當(dāng)前在汽車制造的工藝鏈中絕大部分使用的是內(nèi)外板型的結(jié)構(gòu)形式[5]。其車門的玻璃窗框與內(nèi)、外板形成一體，由鋼制板件沖壓而形成的外板和內(nèi)板翻邊焊接或粘接而成。車門與車身相互協(xié)調(diào)，外板包裹著內(nèi)板，同時(shí)沿著外板的邊緣形成剛性箍。內(nèi)板是車門的關(guān)鍵零件，而內(nèi)板上的各種形狀的孔洞以及加強(qiáng)筋，是為了車門附件安裝在內(nèi)板上。在將附件安裝在內(nèi)板上之后，用內(nèi)飾板改裝車門附件，同時(shí)根據(jù)車門的安全性技術(shù)要求，在內(nèi)板上焊接加強(qiáng)版，為了便于將局部受力載荷有效地傳遞到內(nèi)板垂直面上。 車門按結(jié)構(gòu)種類分有很多，按開(kāi)啟方式可大致分為拉門、旋轉(zhuǎn)門和外擺式門[8]。折疊門與外擺式門這兩種構(gòu)造形式主要用于SUV及大型客車；旋轉(zhuǎn)式車門主要用于貨車與轎車車門，車門的運(yùn)動(dòng)方向呈多種形式。但同時(shí)為了乘客方便上車，在車門旋轉(zhuǎn)處支柱上設(shè)置鉸鏈的位置。車門按結(jié)構(gòu)形式分有兩種，一是整體式車門，而是分體式車門 [9]。本文主要研究的是整體式車門，如圖 2.1所示。 圖2.1 整體式車門 2.1 車門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 在整體式車門中，整體式車門是依靠車門內(nèi)外板整體沖壓成型，同時(shí)，鑲嵌在內(nèi)外板之間的窗框，通過(guò)工藝的包邊以及焊接而合成的稱為白車門 [9]。這種類型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)在內(nèi)外板都是整體沖壓，在形狀與尺寸上精確度要求會(huì)很高，同時(shí)滿足剛度要求，而且在制造上工序步驟相對(duì)較少。在車門內(nèi)部結(jié)構(gòu)件中，各類零件也不多，從而有效的改善了車內(nèi)的密封性，但在大體結(jié)構(gòu)上需要大面積的壓床，從而導(dǎo)致材料上的浪費(fèi)；在A柱、B柱上尺寸不能太寬，從而影響駕駛員的視野； 在分體式車門中，內(nèi)外板式從整個(gè)窗框部分分離出來(lái)的，窗臺(tái)以下的部分為縮小的車門內(nèi)外板尺寸，窗框是由窗框?qū)к壓蜎_壓件拼焊而成，車門是通過(guò)窗框與車門內(nèi)板位置焊接起來(lái)的完整車門 [9]。車窗框一般來(lái)說(shuō)用相對(duì)薄型的鋼板來(lái)作為沖壓件，之后于車門整體連接時(shí)用上焊接或使用螺釘?shù)姆绞?，因此在視野上得到比較好的滿足。同時(shí)在材料上也節(jié)省許多，車門內(nèi)、外板材料使用率也相對(duì)提高。 車門作為車身中一個(gè)獨(dú)立總成機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的效果直接影響車輛的安全性、車內(nèi)視野性、車門密封性以及振動(dòng)噪聲等性能[7]。因此，汽車車門在設(shè)計(jì)上必須合理，設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)要求： (1)為了使車內(nèi)駕乘人員上、下車方便，車門應(yīng)有必要的開(kāi)度，最大開(kāi)度控制在65°~70°左右[8]。 (2)為確保車內(nèi)人員的安全，汽車在進(jìn)一步研究側(cè)面碰撞對(duì)人體造成的傷害以及車身側(cè)面抗撞性能發(fā)生碰撞或側(cè)翻事故時(shí)[10]。應(yīng)能確保不管車門在開(kāi)閉狀態(tài)，都能人力去操控車門的開(kāi)啟與關(guān)閉。 (3)為考慮在設(shè)計(jì)A、B 柱時(shí)對(duì)其車身耐撞性的影響[6]，在車門窗結(jié)構(gòu)上，應(yīng)擴(kuò)大車門尺寸，確保駕駛?cè)擞凶銐虻囊曇啊? (4)車門在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)保證與車身有合理的協(xié)調(diào)性。 (5)車門的密封性能要設(shè)計(jì)合理，從而保證車內(nèi)的舒適性。 (6)保證生產(chǎn)的工藝性，便于裝卸和維修[8]。 車門作為車身的重要組成部分，車門的安全也意味著車身的安全。在車身各類問(wèn)題中，車門出現(xiàn)的故障問(wèn)題最多，比如說(shuō)車門有異響、車門鎖的失效、無(wú)法正常閉合等，這些問(wèn)題的出現(xiàn)時(shí)刻困擾著乘駕人員，所以，車門設(shè)計(jì)是否合理影響著車內(nèi)駕乘人員的舒適性和安全性。而車門內(nèi)、外板之間的防撞梁在碰撞過(guò)程中，起很大的作用。最初的防撞桿是采用圓柱形的,但是這種形狀的防撞桿不利于緩沖以及吸收能量,從而在防撞擊上變差，而且在保護(hù)乘員這一方面的作用也不是很理想[12]。因此，在不增加防撞梁質(zhì)量的前提下，采用圓管式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度受力分析。在進(jìn)行受力分析時(shí)，防撞梁的長(zhǎng)度是固定的，而在寬度以及厚度上，可以適當(dāng)進(jìn)行修改。 2.2 車門的三維建模 車門是以零件的制造工藝性角度來(lái)進(jìn)行分類的，主要包括兩種：一是以等料厚、車門內(nèi)外表面性質(zhì)大體一致為特點(diǎn)的車門外板沖壓件；二是以不等料厚、車門內(nèi)外表面形狀不一致為特點(diǎn)的車門內(nèi)板[7]。 （1）車門外板：車門外板一般是有薄鋼板沖壓成型，厚度在0.65到0.85mm中間，其車門的外形以及加工表面的質(zhì)量需符合車身造型技術(shù)的要求。由于輕量化以及側(cè)面碰撞的安全性要求而言，車門外板應(yīng)該具備足夠的剛度，所以轎車車門外板主要使用高強(qiáng)度鋼板。 （2）車門內(nèi)板：作為車門的重要組成構(gòu)件，車門上所有附件基本上都安裝在車門內(nèi)板上，一般內(nèi)板的厚度在0.7到0.85mm。為了確保車門附件安裝位置的精度要求和車門四邊的密封性的要求，車門內(nèi)板上應(yīng)有足夠的剛度，所以說(shuō)內(nèi)板周邊需沖壓出的凸邊、加強(qiáng)肋或使用加強(qiáng)版焊接在母版上。 （3）車門防撞梁：車門防撞梁的主要作用是在汽車遭遇到側(cè)面碰撞時(shí)，防止外部的受力侵入到車內(nèi)，從而導(dǎo)致對(duì)乘員的傷害。為了使車門能夠達(dá)到安全的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)代轎車的車門都裝有防撞梁。一般是有高剛度鋼管沖壓所成形的，而防撞梁兩端通過(guò)連接件焊接在車門內(nèi)板上。 由于在使用軟件畫車門外板的大概模型時(shí)，外板并不能夠體現(xiàn)出車門的受力問(wèn)題，所以將車門的構(gòu)造約束化。因?yàn)檐囬T由三大部分特性構(gòu)成，其一是輪廓特性，其二是功能特性，其三是結(jié)構(gòu)特性。輪廓特性主要是創(chuàng)建車門內(nèi)板和內(nèi)板周圍的凸緣以及車門門體的保護(hù)面等這些框架結(jié)構(gòu)。因此本文根據(jù)車門的結(jié)構(gòu)特性分為輪廓特性、功能特性和結(jié)構(gòu)特性等三個(gè)部分[12]。功能特性實(shí)現(xiàn)了一些如鉸鏈安裝與車門玻璃升降器凸臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性[12]。結(jié)構(gòu)特性主要體現(xiàn)在兩種結(jié)構(gòu)之間的連接功能與結(jié)構(gòu)支撐功能并確保車門能夠有效的工作[12]。本文主要構(gòu)造車門的輪廓特性，首先創(chuàng)建車門的內(nèi)外板及其防撞梁，然后確定車門內(nèi)外板的布置是否合理，最后依靠結(jié)構(gòu)分析來(lái)提高車門的工藝及使用性。參照丁鴻儒[7]《某型乘用車車門設(shè)計(jì)與有限元仿真分析》的建模標(biāo)準(zhǔn)，建立帕薩特車門的模型，主要建模包括以下步驟： 第一步，首先結(jié)合車門的外形設(shè)計(jì)，融入車門結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以車門輪廓的切面作為基準(zhǔn)面，從而來(lái)確定車門的密封中心線，如圖2.2所示。 圖 2.2 車門的輪廓基準(zhǔn)面 第二步，考慮車門附件所在的布局，在構(gòu)造車門結(jié)構(gòu)時(shí)，合理地將車門附件布置在車門上。在布置車門內(nèi)外板時(shí)，將車門附件固定在車門內(nèi)外板上。在車門內(nèi)板上布置時(shí)，就需要對(duì)車門板進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分塊處理，如圖2.3所示。 圖 2.3 車門內(nèi)飾件 在構(gòu)造汽車車門內(nèi)板時(shí)，比如車框玻璃的升降器、車門上的鉸鏈、門鎖、揚(yáng)聲器等，這些車門上的附件安裝方式一般是螺栓連接。螺栓連接主要是有兩種安裝方式，一是當(dāng)車門內(nèi)板上附件占用比較大的面積，并且所受到的力不均勻的時(shí)，為了確保能夠保證車門的剛度要求，在設(shè)計(jì)車門結(jié)構(gòu)時(shí)，一般都會(huì)設(shè)計(jì)成凸臺(tái)的這樣的結(jié)構(gòu)方式，目的是能夠?qū)⒏郊惭b在車門上更牢固。二是考慮那些車門附件占用面積比較小時(shí)，而且受到的力比較集中，或者說(shuō)受到的力很大，比如說(shuō)，鉸鏈的安裝與拆卸。對(duì)于附件的安裝比較聚集的時(shí)候，將內(nèi)板上的附件凸起就不合理，所以，為了滿足車門內(nèi)板的剛度要求，通常情況下，采用內(nèi)板整體凸起的結(jié)構(gòu)方法，或者說(shuō)將內(nèi)板附件的厚度增加，來(lái)確保車門內(nèi)飾件符合自身的剛度要求。假設(shè)車門鉸鏈處的安裝間隔相對(duì)比較小，并且受到施加載荷的力較大時(shí)，對(duì)于這種剛度上的不足，或者說(shuō)這些特征都不能用凸起的結(jié)構(gòu)解決，那么只有增加車門板的厚度，或者通過(guò)增加車門的加強(qiáng)版來(lái)解決。同時(shí)，為了解決車門的應(yīng)力問(wèn)題，還需要應(yīng)用傳統(tǒng)的鉸鏈結(jié)構(gòu)方法，來(lái)提高車門的剛度。 第三步，檢測(cè)車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保車門結(jié)構(gòu)的完善性。在處理完車門內(nèi)外板之后，將車門內(nèi)板進(jìn)行分布處理，需要對(duì)車門附件進(jìn)行模型劃分，將車門的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后可以呈現(xiàn)車門的基本模型，如圖2.4所示。 圖2.4 車門的基本模型 由于在車門設(shè)計(jì)時(shí)，車門在處理上缺乏整體性平衡性能結(jié)構(gòu)，所以車門各部分零件之間不能相互匹配，該車門的模型缺乏加工的工藝性以及制造成本問(wèn)題。因此，在車門的結(jié)構(gòu)上，車門的厚度以及各個(gè)倒角處可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。 車門在構(gòu)造到最后階段，三維模型的建立已完成，最后，通過(guò)PROE軟件中的曲面建模進(jìn)行橋接、延伸及修剪，從而得到車門的三維模型。如圖2.5所示。 圖2.5 車門外板 2.3 本章小結(jié) 本文從車門的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，概括車門結(jié)構(gòu)，文章首先結(jié)合車門的外形設(shè)計(jì)，以對(duì)車門的安全性為設(shè)計(jì)前提，建立了車門剛度要求的標(biāo)準(zhǔn)，并且從車門結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)以及從人體人機(jī)工程學(xué)的角度，對(duì)車門設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，為車門的優(yōu)化分析提供了強(qiáng)大的支撐。 首先，結(jié)合車門外形的設(shè)計(jì)，以車門輪廓的切面作為基準(zhǔn)面，確認(rèn)車門各個(gè)部件中的組成方式。其次，確定車門中各部件的安裝布置，并且處理好車門中各個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。最后通過(guò)Creo軟件中，曲面建模模塊中的拉伸、填充、延伸和橋接等功能，對(duì)車門基本的模型進(jìn)行修改，從而得到了車門的三維模型。 第3章 車門有限元模型的建立 3 車門有限元模型的建立 3.1 導(dǎo)入模型 通過(guò)有限元進(jìn)行仿真分析，首先將車門三維模型導(dǎo)入到有限元軟件中，并且根據(jù)模型將其簡(jiǎn)化，建立其幾何模型。而后在此基礎(chǔ)上對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行接觸控制、施加約束及載荷等一系列邊界條件的設(shè)置[3]。如圖3.1所示。 圖3.1 導(dǎo)入模型 3.2 選擇材料 目前，輕質(zhì)材料選用是汽車輕量化的重要途徑，而應(yīng)用在汽車上的輕質(zhì)型材料主要有鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、復(fù)合材料以及鎂合金。鋼的特點(diǎn)是:強(qiáng)度高、成形性快、具有良好的吸收性能、而且回收利用率方便等,但普通鋼具有密度高、耐腐蝕性差的特點(diǎn)[11]。鋁合金的特點(diǎn)是:強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性好、回收利用耗能小等，但是鋁合金的彈性模量相對(duì)比較小,沖壓成型性慢,在制造中不宜成型[11]。鎂合金在實(shí)用金屬中是最輕的金屬，具有強(qiáng)度高、重量輕以及剛性高的特點(diǎn)，并且也具有良好的鑄造性能。 鋼板的高強(qiáng)度化容易引起塑性變形的下降，而且成型性下降，并且屈服強(qiáng)度的提升會(huì)引發(fā)畸變以及回彈效應(yīng)，增加材料形狀的不穩(wěn)定性能，因此，對(duì)沖壓技術(shù)而言，高強(qiáng)度鋼板是一種難以成型的材料。成型后的缺點(diǎn)有形狀不良、卡磨具、開(kāi)裂以及影響尺寸的精度。 因?yàn)檐嚿順?gòu)件自身的要求和特點(diǎn)，以及根據(jù)鋁合金的材料上的特征，在車身零部件制造時(shí)，鋁合金與鋼材的制造工藝有很大的相似之處，所以說(shuō)，在新工藝的研究上，應(yīng)用鋁合金這種材料是一種突破。車身使用鋁合金的主要成型過(guò)程有內(nèi)高壓、擠壓、沖壓、電磁、加熱吹塑、壓鑄等，根據(jù)不同的零件結(jié)構(gòu)，鋁合金在選用上會(huì)依據(jù)鋁合金的性能而定。 復(fù)合材料是屬于一種非金屬的特性，所以，所使用的成型方法、工藝以及金屬材料也有極大的區(qū)別。如果將車身一體采用復(fù)合材料，那在目前制造業(yè)行業(yè)里，完全是顛覆了傳統(tǒng)制造業(yè)行業(yè)，汽車的制造流程以及工藝也將完全被改變?？紤]到復(fù)合材料的特殊處，本文暫不選用復(fù)合材料進(jìn)行分析，如表3.1所示。 表3.1 各類材料的比較 鎂合金 結(jié)構(gòu)鋼 鋁 塑料 密度/kg·m-3 1950 7800 2710 900～2100 熔點(diǎn)/℃ 650 1600～1700 840～920 180～300 拉伸極限 /N·㎜-2 70～230 290～450 40～230 — 通過(guò)有限元軟件，通過(guò)查看Engineering Data進(jìn)行應(yīng)用，首先對(duì)車門內(nèi)外板材料進(jìn)行選擇，目前分別選用鋁合金、鎂合金和結(jié)構(gòu)鋼，作為車門內(nèi)外板材料進(jìn)行受力分析，如圖3.2所示。 圖3.2 材料的選用 3.3 網(wǎng)格劃分 在劃分網(wǎng)格密度程度時(shí)，不僅僅是一個(gè)精度的問(wèn)題，而且關(guān)系到三維模型在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題，當(dāng)對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格上單元體的尺寸的大小，對(duì)模型的受力分析，及其受力呈現(xiàn)形式，都起到很重要的影響。如果網(wǎng)格劃分的很細(xì)，那么所占用內(nèi)存容量會(huì)很大，而且在劃分時(shí)所用的時(shí)間也比較多，但如果網(wǎng)格劃分的很粗，那么所劃分下來(lái)的精度也會(huì)隨之下降，而且網(wǎng)格劃分的大小則需要依據(jù)單元的不同類型來(lái)考慮。如果單元網(wǎng)格發(fā)生劇烈的變化，則可能會(huì)出現(xiàn)受力分析的精度下降，為了保證在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，分析后的準(zhǔn)確性，需將將網(wǎng)格準(zhǔn)確化。 在對(duì)車門進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，車門附件上的安裝位置孔可以省略，車門的內(nèi)板與附件之間聯(lián)系比較密切，所以使用的材料也應(yīng)該與內(nèi)板上的材料使用一致，并且車門外板的厚度比車門內(nèi)板少一半。當(dāng)將模型導(dǎo)入到有限元分析時(shí)，首先對(duì)車門得選擇合適的單元類型，根據(jù)單元類型，三角形單元的精度要低于四邊形單元的精度，只有當(dāng)單元類型的適合，才能將分析后的精確度提高。要考慮模型的受力分析，選擇合適的單元類型，以及精度標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，以組合的方式選取單元類型，選用四邊形單元為主要單元類型，而三角形單元作為復(fù)雜曲面的使用。為了使有限元分析更準(zhǔn)確，三角形的殼單元的數(shù)目占很少比例。但在實(shí)際的運(yùn)用中，主要是根據(jù)車門的結(jié)構(gòu)情況、所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、所受力的載荷等，來(lái)控制單元的大小及數(shù)量。根據(jù)車門有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以下是網(wǎng)格質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如表3.2所示。 表3.2 有限元網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)價(jià)項(xiàng) 優(yōu) 良好 較危險(xiǎn) 較差 很差 單元最大長(zhǎng)度 10.00 15.00 25.00 30.00 50.00 單元最小長(zhǎng)度 10.00 8.00 4.00 2.00 0.50 單元翹曲度 0.00 5.00 15.00 20.00 90.00 四邊形單元最大角 90.00 110.00 135.00 140.00 180.00 三角形單元最大角 60.00 80.00 140.00 146.00 180.00 單元傾斜度 0.00 10.00 55.00 60.00 90.00 劃分網(wǎng)格時(shí)控制殼單元網(wǎng)格質(zhì)量如下：最小邊邊長(zhǎng)不應(yīng)小于5厘米，最大翹曲不應(yīng)大于15度，四邊形單元的最小角角度不應(yīng)小于40度，最大角角度不應(yīng)大于140度，三角形單元最小角角度不應(yīng)小于20度，最大角角度不應(yīng)大于120度[14]。該網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)通常能夠在整車模擬計(jì)算中在控制計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上保證模型的計(jì)算精度，從而建立車門的離散化有限元模型，如圖3.3所示。 圖3.3 網(wǎng)格的劃分 總體來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分的數(shù)目越多，最后的分析結(jié)果顯示也就越精確，但隨之而來(lái)的計(jì)算量也就增大了，從而影響計(jì)算的效率。本文所建立的車門三維模型，單元體的大小控制在10mm左右。有限元模型中共有節(jié)點(diǎn)48582個(gè)。細(xì)長(zhǎng)單元的網(wǎng)格會(huì)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生影響，一般情況下，假設(shè)細(xì)長(zhǎng)網(wǎng)格的單元比大于5.0時(shí)，最大的誤差值可以上升到2.4%。 3.4 施加約束及載荷 從車門自身系統(tǒng)上的剛度來(lái)分析，車門的剛度分析主要包括垂直剛度、窗框剛度、上下剛度、內(nèi)外板剛度等[11]。在考慮整個(gè)車門的受力分析時(shí)，還要考慮車門的自身的剛度要求，只有這樣才能夠全面地對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行分析，但是因?yàn)檐囬T結(jié)構(gòu)件繁多，而且在側(cè)面受力中，車門門體吸到絕大部分的能量，所以本文在車門中進(jìn)行簡(jiǎn)化，文中只研究對(duì)車門的垂直剛度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。 對(duì)車門模型進(jìn)行垂直剛度分析，首先使車門處在禁止的狀態(tài)下，在車門四周對(duì)其進(jìn)行自由度約束，之后在門體上施加垂直載荷，大小為1000N，如圖3.4、圖3.5所示。 圖3.4 車門的約束條件 圖3.5 車門施加的載荷 3.5車門的靜剛度分析 3.5.1 車門的應(yīng)力云圖 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門模型進(jìn)行剛度分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用鋁合金作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的受力應(yīng)力云圖，如圖3.6所示。 圖3.6 選用鋁合金作為材料的應(yīng)力云圖 通過(guò)此車門的應(yīng)力云圖,觀察到圖3.6所示車門的變形情況，車門所受到的力集中在車門中央位置，車門發(fā)生了很大的變形。從該應(yīng)力云圖中，可得出結(jié)論，在選用鋁合金作為車門內(nèi)外材料時(shí)，此車門受到的最大應(yīng)力，大小為626.22MPa,出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，此處的應(yīng)力還有可能會(huì)導(dǎo)致車門的侵入量過(guò)大。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門剛度模型進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用鎂合金作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的受力應(yīng)力云圖，如圖3.7所示。 圖3.7 選用鎂合金作為材料的應(yīng)力云圖 通過(guò)此車門的應(yīng)力云圖，可觀察到圖3.7所示車門的變形情況，車門所受到的力還集中在中央位置，所以可細(xì)致的觀察到車門的能量分布圖。從該應(yīng)力云圖中，可得出結(jié)論，在選用鎂合金作為車門內(nèi)外板材料時(shí)，此車門受到的最大應(yīng)力，大小為627.45MPa,相對(duì)于圖3.6所示，車門的最大應(yīng)力增大。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門剛度模型進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用結(jié)構(gòu)鋼作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的受力應(yīng)力云圖，如圖3.8所示。 圖3.8 選用結(jié)構(gòu)鋼作為材料的應(yīng)力云圖 通過(guò)此車門的應(yīng)力云圖，可觀察到圖3.8所示車門的變化情況，車門所受到的力集中在中央位置，所以可細(xì)致的觀察到車門的能量分布圖。從該應(yīng)力云圖中，可得出結(jié)論，在選用結(jié)構(gòu)鋼作為車門內(nèi)外材料時(shí)，此車門受到的最大應(yīng)力，大小為624.78MPa,相比較圖3.6與圖3.7所示，盡管車門受到的最大應(yīng)力是最小的，但此處的最大應(yīng)力還是可能會(huì)導(dǎo)致車門侵入量過(guò)大，從而影響駕乘人員的安全性。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門剛度模型進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)車門防撞梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得防撞梁的受力應(yīng)力云圖，如圖3.9所示。 圖3.9 圓管型的應(yīng)力云圖 從該圓管型防撞梁可以看出，所受到的應(yīng)力很大，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，此處的應(yīng)力可能會(huì)造成防撞梁抗彎曲能力不行，容易引起折斷，可能會(huì)造成隱患，所以對(duì)防撞梁進(jìn)行優(yōu)化。 3.5.2 車門的位移云圖 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門模型剛度進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用鋁合金作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的位移云圖，如圖3.10所示。 圖3.10選用鋁合金作為材料的位移云圖 觀察圖3.10所示，從該位移云圖對(duì)車門有一個(gè)直觀的了解，可以清楚知道車門垂向剛度，而且在車門的中央位置，可知道此部位受到一個(gè)很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了3.88mm。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門模型剛度進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用鎂合金作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的位移云圖，如圖3.11所示。 圖3.11 選用鎂合金作為材料的位移云圖 觀察圖3.11所示，從該位移云圖對(duì)車門有一個(gè)直觀的了解，可以清楚知道車門垂向剛度，而且在車門的中央位置，可知道此部位受到一個(gè)很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了6.10mm。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門模型剛度進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)車門的材料進(jìn)行選擇，用結(jié)構(gòu)鋼作為車門的內(nèi)外板，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的位移云圖，如圖3.12所示。 圖3.12 選用結(jié)構(gòu)鋼作為材料的位移云圖 觀察圖3.12所示，從該位移云圖對(duì)車門有一個(gè)直觀的了解，可以清楚知道車門垂向剛度，而且在車門的中央位置，可知道此部位受到一個(gè)很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了1.38mm。 通過(guò)有限元workbench對(duì)車門模型剛度進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)防撞梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，并且通過(guò)軟件中solution來(lái)查看求解結(jié)果，可得車門的位移云圖，如圖3.13所示。 圖3.13 圓管型的位移云圖 從該總應(yīng)變?cè)茍D對(duì)防撞梁有一個(gè)直觀的分析，可知防撞梁的中間受力最大，容易出現(xiàn)折斷的現(xiàn)象，是圓管型結(jié)構(gòu)最薄弱的區(qū)域，在安全上有很大的影響。 3.6 本章小結(jié) 將車門模型導(dǎo)入到有限元workbench中，通過(guò)車門有限元模型網(wǎng)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車門進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而建立車門的有限元模型，進(jìn)行剛度分析。本文主要對(duì)車門內(nèi)外板及加強(qiáng)梁進(jìn)行研究分析，所以網(wǎng)格劃分時(shí)厚度在5mm左右，網(wǎng)格劃分的尺寸一般在8到10mm，在網(wǎng)格劃分時(shí)，在孔、凸臺(tái)、加強(qiáng)筋等位置，網(wǎng)格所需要?jiǎng)澐值谋容^細(xì)，是屬于比較復(fù)雜的曲面，從而在進(jìn)行網(wǎng)格的劃分時(shí)難度會(huì)比較大，這些位置可能會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力，因此在網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求上，要做到一個(gè)很好的控制。因?yàn)檫@些位置使得單元中各個(gè)節(jié)點(diǎn)不在同一平面上，所以網(wǎng)格劃分時(shí)會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)格上的翹曲，只要將角度控制在一定的范圍之內(nèi)，就不會(huì)對(duì)有限元分析的精度產(chǎn)生影響。 乘用車車門剛度的指標(biāo)是車門的靜態(tài)剛度，這也是車門的基本設(shè)計(jì)條件之一[17]。因此是否符合要求是整車性能的基本標(biāo)準(zhǔn)，并且車門的剛度與整車性能是相輔相成的。當(dāng)選用鋁合金作為分析材料的時(shí)候，此時(shí)的最大應(yīng)力為626.22MPa，位移量為3.88mm；當(dāng)選用鎂合金作為分析材料的時(shí)候，此時(shí)的最大應(yīng)力為627.45MPa，位移量為6.10mm；當(dāng)選用結(jié)構(gòu)鋼作為分析材料的時(shí)候，此時(shí)的最大應(yīng)力為624.78MPa，位移量為1.38mm。?利用公式K=F/s來(lái)表示車門的垂直剛度，其中s為車門垂直剛度的位移量，K值越大，表明車門的垂直剛度越好。由公式K=F/s計(jì)算得到車門的垂直剛度分別為257.73N/mm、163.93N/mm、724.64N/mm。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，車門的剛度值要大于250N/mm[7]。所以選用鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼材料滿足車門的垂直度要求，而選用鎂合金材料作為車門內(nèi)外板不能滿足車門的垂直度要求。 雖然防撞梁的本身的質(zhì)量不變，但作為圓管型結(jié)構(gòu)的防撞梁在受到力時(shí)，位移量很大，從而說(shuō)明受力后的侵入量會(huì)變的很大，同時(shí)緩沖受力的能力也不是很好，不能夠有效的承受撞擊。在不修改防撞梁整體的情況下，將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以便于能夠吸收更多的能量。在保證防撞梁質(zhì)量不變的前提下，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，保證防撞梁的中央節(jié)的位移量最小。在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將防撞梁的中間部位向內(nèi)凹陷，兩端向外凸起。在受到撞擊時(shí)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得防撞梁的位移量減少，起到了最大的程度上的緩沖，能夠有效的保護(hù)室內(nèi)乘坐人員。 通過(guò)選用不同的材料，根據(jù)質(zhì)量公式，質(zhì)量是密度與體積的連乘積，所以不同材料的密度有不同的質(zhì)量，因此，通過(guò)材料以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)車門的減重，從而實(shí)現(xiàn)車門的輕量化設(shè)計(jì)。 4 車門的優(yōu)化分析 4.1 車門的剛度優(yōu)化 4.1.1車門優(yōu)化應(yīng)力云圖 對(duì)車門材料進(jìn)行選用，用鎂合金作為車門外板，用鋁合金作為車門內(nèi)板，通過(guò)solution查看優(yōu)化應(yīng)力云圖，該車門的最大應(yīng)力大小為532.29Mpa，在相對(duì)于鋁合金材料、鎂合金材料、結(jié)構(gòu)鋼材料，此時(shí)的車門最大應(yīng)力有很大的下降，分別下降了93.93 Mpa、95.16 Mpa、95.49 Mpa，如圖4.1所示 圖4.1 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖 將U型防撞梁導(dǎo)入到有限元模擬仿真，該車門的最大應(yīng)力為17.79 Mpa，與圓管型防撞梁相比較，通過(guò)比較分析，車門的最大應(yīng)力下降了20.38 Mpa，如圖4.2所示。 圖4.2 U型形狀的應(yīng)力云圖 4.1.2車門優(yōu)化位移云圖 對(duì)車門材料進(jìn)行選用后，用鎂合金作為車門外板，用鋁合金作為車門內(nèi)板，通過(guò)solution查看優(yōu)化位移云圖，車門受力后的位移向四周擴(kuò)散，位移量為4.12mm，在相對(duì)于鋁合金材料、結(jié)構(gòu)鋼材料，此時(shí)的位移量延伸了，位移量分別增加了0.24 mm、2.74 mm。而比較鎂合金材料，位移量減少了1.98 mm，如圖4.3所示。 22 第4章 車門的優(yōu)化分析 圖4.3 優(yōu)化后的位移云圖 對(duì)車門防撞梁進(jìn)行優(yōu)化，采用U型結(jié)構(gòu)的防撞梁進(jìn)行模擬仿真，防撞梁的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)形式，中間呈現(xiàn)凹槽梯形狀，所受到的力向外延伸。而且相比較圓管型結(jié)構(gòu)，位移量減少了0.14 mm，說(shuō)明U型結(jié)構(gòu)的侵入量比圓管型的侵入量要小，如圖4.4所示。 圖4.4 U型形狀的位移云圖 4.2 優(yōu)化后的結(jié)果分析 在對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化之后，通過(guò)使用有限元workbench進(jìn)行分析，從而得到該車門的剛度分析結(jié)果，如表4.1所示。 表4.1 車門位移量的對(duì)比圖 垂直剛度 優(yōu)化后的位移量（mm） 選用鋁合金的位移量（mm） 選用鎂合金的位移量（mm） 選用結(jié)構(gòu)鋼的位移量（mm） 垂直剛度 4.12 3.88 6.10 1.38 扭轉(zhuǎn)剛度（上） 3.20 3.02 4.74 1.08 扭轉(zhuǎn)剛度（下） 2.74 2.59 4.06 0.92 內(nèi)板剛度 0.91 0.86 1.35 0.30 通過(guò)車門位移量的對(duì)比圖可知，車門位移量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的車門剛度值為273.33N/mm，滿足車門的垂直度要求，而優(yōu)化后車門各項(xiàng)數(shù)據(jù)的位移量明顯大于選用鋁合金和結(jié)構(gòu)鋼的位移量，并且優(yōu)化后的車門，受到的最大應(yīng)力為532.29Mpa，因此，選用優(yōu)化后的車門，一方面降低了車門的最大應(yīng)力，另一方面也實(shí)現(xiàn)了車門的減重。 防撞梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該是中間受力處向下凹陷，兩邊向上擴(kuò)展，這樣在車門受到力時(shí)，首先防撞梁的兩邊受力，使得在吸收能量的時(shí)候起到一個(gè)緩沖的作用，而且可以減少防撞梁中間部位的變形。根據(jù)實(shí)際制造生產(chǎn)技術(shù)與一些其他因素，來(lái)確定防撞梁的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)形式，中間結(jié)構(gòu)位置呈現(xiàn)凹槽型形狀，主要是為了方便制造，而且與周圍的一些零件不會(huì)產(chǎn)生干涉的。 在受到側(cè)面碰撞力時(shí)，主要依靠頂棚橫梁、地板橫梁和防撞梁，來(lái)對(duì)車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，防止側(cè)面受到的力侵入過(guò)大。而這些在側(cè)面碰撞時(shí)所受到的力都是彎曲變形，不像正面碰撞時(shí)，車身的結(jié)構(gòu)可以軸向褶皺吸收更多的能量。所以為了增強(qiáng)側(cè)面碰撞過(guò)程時(shí)，車門結(jié)構(gòu)的吸收能力，增強(qiáng)車么結(jié)構(gòu)件的抗彎曲能力，希望在同等條件下，能夠吸收更多的能量。通過(guò)對(duì)車門材料的選擇及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，結(jié)合表4.1位移量的對(duì)比圖，說(shuō)明車門的優(yōu)化是有效的，達(dá)到了將模型減重的目的。 4.3 車門碰撞的時(shí)序分析 車門在受到碰撞時(shí)，我們可以依據(jù)碰撞時(shí)刻數(shù)據(jù)圖來(lái)選取各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的變化情況，如選取0.2s,0.4s,0.6s,0.8s時(shí)刻的受力分析情況，如圖4.5、圖4.6、圖4.7、圖4.8所示。 圖4.5 時(shí)間為0.2s時(shí)刻碰撞的變形情況 圖4.6 時(shí)間為0.4s時(shí)刻碰撞的變形情況 圖4.7 時(shí)間為0.6s時(shí)刻碰撞的變形情況 圖4.8 時(shí)間為0.8s時(shí)刻碰撞的變形情況 如上圖顯示的是各個(gè)時(shí)刻的圖形變化情況，到了0.6s時(shí)刻，已經(jīng)預(yù)示車門會(huì)發(fā)生很大的變形，當(dāng)?shù)搅?.8s的時(shí)刻，車門已經(jīng)出現(xiàn)變形。從車門的圖形的變化情況可以看出，優(yōu)化后位移量增加了許多，說(shuō)明優(yōu)化后的車門起到了很大的緩沖，以及吸收能量的作用；而且優(yōu)化后的車門最大應(yīng)力比優(yōu)化前最大應(yīng)力要小，說(shuō)明選用鎂合金材料作為外板、選用鋁合金材料作為內(nèi)板，此時(shí)的車門受力后的剛度性能提高，塑性變形能力變好。所以，綜上所述，選用鎂合金材料作為車門外板、選用鋁合金作為內(nèi)板，并且采用U型結(jié)構(gòu)的防撞梁，起到以下作用：第一，降低了最大應(yīng)力，提高了車門的剛度；第二，增加了位移量，起到緩沖的作用；第三，通過(guò)選用材料，減輕了車門的自重；第四，實(shí)現(xiàn)了將車門輕量化的目的。 5 總結(jié) 我國(guó)在石油的需求上很大，國(guó)內(nèi)50%的石油都是進(jìn)口的。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)交通工具的依賴，汽車的產(chǎn)值量都在增加，給人多帶來(lái)出行方便的同時(shí)，也帶來(lái)環(huán)保、安全、油耗三大問(wèn)題。如何解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)也做出了很多先相關(guān)的法令法規(guī)和措施。所以輕量化的發(fā)展成為汽車工業(yè)的趨勢(shì)，而車門的輕量化設(shè)計(jì)更是一種潮流。 汽車在正面碰撞時(shí)，前部引擎蓋有很大空間的緩存區(qū)，而在側(cè)面碰撞時(shí)，并不像正面碰撞時(shí)可以吸收到碰撞能量[16]。由于側(cè)面車門結(jié)構(gòu)離駕乘人員人員比較近，所以在發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)承受很大的傷害。所以車門防撞梁的作用就體現(xiàn)在這兒，在發(fā)生碰撞時(shí)可以有效地吸收到碰撞能量，并且將這些能量分散傳遞出去。通過(guò)比價(jià)，發(fā)現(xiàn)原形截面收到碰撞之后，吸收的能量不是很大，所以在保證不增加車門質(zhì)量的前提下，對(duì)防撞梁的性能進(jìn)行優(yōu)化分析，確保能夠提高車門的抗擊性。 通過(guò)對(duì)車門的研究分析，比較國(guó)內(nèi)外對(duì)車門的研究分析，建立微型轎車車門的優(yōu)化及其剛度分析，本文主要完成以下工作： 1.通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外輕量化的研究現(xiàn)狀，歸納出當(dāng)前車門輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。 2.根據(jù)車門的結(jié)構(gòu)，參考國(guó)內(nèi)外的研究設(shè)計(jì)，建立微型轎車車門的三維模型。 3.將模型導(dǎo)入到有限元軟件，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)車門受力情況，得出車門剛度分析的結(jié)果。 4.通過(guò)對(duì)車門內(nèi)外板材料的選用，及其防撞梁的優(yōu)化，在保證車門剛度符合要求的情況下，對(duì)車門內(nèi)外板材料的選用，使得車門優(yōu)化更合理。文中所研究的車門分析，還存在很多不足，還可以繼續(xù)深入探究：一，可以建立完整的車門，進(jìn)行有限元分析；二，還可以更加的偏向?qū)嶋H化，進(jìn)行研究分析，如果條件允許，還可以將研究分析的精確度提高，可靠性更大。 致謝 參考文獻(xiàn) [1] 霍孝波.基于新型板材的汽車車門輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué). 2013（06） [2] 曾霽.基于輕量化的車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].湖南大學(xué). 2012(05) [3] 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在寫論文期間，我的導(dǎo)師給予我很大的幫助，每當(dāng)我遇到難題時(shí)，導(dǎo)師都會(huì)采用拋磚引玉的方法對(duì)我指導(dǎo)，而且從論文的選題，到最后的定稿，都是導(dǎo)師默默的幫我檢查，并且提出自己的意見(jiàn)，在此表示我最真摯的謝意。同時(shí)在此也特別感謝我的同學(xué)們，總是在一旁給予我鼓勵(lì)，使得這篇論文能夠順利完成。