基于ABAQUS的车门强度分析.doc

（研究生课程论文 ）
汽车动力学
论文题目:基于ABAQUS的车门强度分析
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2014年12月
基于ABAQUS的车门强度分析
(武汉理工大学）
摘要：轿车门系统结构设计与优化是整车开发过程中的重要环节。车门的强度直接关系到整车在冲击、碰撞等载荷下的安全问题，车门结构静态强度的计算分析，在车门结构设计进程中非常重要。本文根据国家“轿车侧门强度"试验标准，基于ABAQUS平台对车门强度进行有限元模拟分析，车门外板采用不同的材料和厚度，分析对车门强度的影响，并选择最优方案.
关键词:车门；强度；有限元
Analysis of automobile door strength based on ABAQUS
Han Yu
（Class 141 of SCHOOL OF AUTOMOTIVE ENGINEERING， WHUT）
Abstract：Door system structural design and optimization is an important part of the vehicle development process. The analysis of Static strength of the door structure is very important in the structural design of the doors. In this paper， according to the national “car side door strength” test standard， based on the platform of ABAQUS finite element simulation analysis was carried out on the strength of the door。 The outer door plate is made of different materials and thickness to analyze the effect on the strength of the door, and we choose the the optimal scheme.
Key words:automobile door; strength; FEM
0 前言
汽车车身作为整车三大总成之一，在整车的设计开发过程中占有极其重要的地位.车门系统是车身上非常重要的组成部件，其性能直接影响着车身结构性能的好坏。在正常服役条件下，车门经常受到关闭时的冲击,自重导致的弯矩和铰链的拉伸等作用.在车辆受到侧面碰撞时，车门的变形量必须控制在一定的范围内，为乘员提供一个有效的生存空间,因此,车门的强度和刚度直接关系到整车在冲击、碰撞等载荷下的安全问题。
车门必须符合国家有关轿车车门强度的标准，其中GB 15743—-1995法规规定了轿车侧门的强度要求及试验方法:使用一定的大小的刚性圆柱体从车门外侧挤压车门,当达到一定的挤压距离，车门要具有规定的抵抗力，但如果直接做试验,将会使用大量的人力和物力[1］。
1 有限元软件简介
本文基于Hypermesh和ABAQUS平台，对车门强度进行分析。
1。1 Hypermesh简介
在CAE工程技术领域, Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能.
Hypermesh的网格划分功能[2]：
①确定网格的单元类型。这取决于要做的分析类型和模型的结构特点，对于同样的分析,采用的求解器不同也会影响这个选择。
②确定网格的大小
这取决于模型的规模、计算机的能力（CPU、内存、硬盘、是否并行算法），还有对计算精度的要求.
③划分网格的方法
网格划分中对于比较简单的模型直接采用自由网格划分，但是对于复杂模型来说，完全自动划分几乎是不可能的,算法不能实现且不说，即使划分出来网格质量也非常差，这个时候就要人工干预划分的网格质量，并且最后检查网格质量是否符合要求。
1.2 ABAQUS简介
ABAQUS无论对简单或复杂的线性和非线性工程问题都提供了一套完整强大的有限元理论解决方案，对于广泛领域中的结构，热和连接分析问题都能解决。
在本次有限元分析中，主要是运用到ABAQUS/CAE中10大功能模块：
①生成Part（部件模块）:Part模块用于创建各个单独的部件，用户可以在ABAQUS/CAE环境中用图形工具直接生成，也可以从第三方图形软件导入部件的几何形状.本文中采用的就是从第三方软件导入。
②定义Property(特性)：整个部件中的任一个部分的特征，如与该部分有关的材料性质定义和截面几何形状，包含在截面（section）定义中。在该模块下,用户可以定义截面和材料，并将它们赋予部件的某一部分。
③创建Assemble（装配):创建一个部件时，部件存在于自己的局部坐标系中，独立于模型的其他部分.用户可以应用该模块建立部件的实例，并且将这些实例相对于其他部件定位于总体坐标系之中，从而构成一个装配件。一个ABAQUS/CAE模型只能包含一个装配件。
④创建Step（分析步）:用户可以应用Step模块生成和构件分析步,并与输出需求联系起来。分析步序列给模拟过程的变化提供了方便的途径（如变载荷和变边界问题）。可以根据需要,在分析步之间更改输出变量.
⑤创建Interaction（相互作用）：在该模块中,用户可以指定模型各区域与周围环境之间的热力学或者力学方面的相互作用，如两个传热的接触表面。其他可以定义的相互作用包括约束，如方程(equation）和刚体（rigid body)约束、绑定（tie）。ABAQUS/CAE不会自动识别部件实体之间或者一个装配件的各个区域之间的力学或者热学的相互作用,用户要实现该需求，必须在相互作用模块指定接触关系。相互作用于分析步有关，这就意味着用户必须规定相互作用是在哪个分析步起作用。
⑥定义Load（载荷）：在载荷模块中指定载荷、边界条件和场变量。边界条件和载荷与分析步有关，这就说明用户必须指定载荷和边界条件在哪些分析步骤中起作用。某些场变量仅作用于分析的初始阶段,而其他的场变量与分析步有关.
⑦提交Job（作业）：一旦完成了所有定义模型的任务，用户就可以用Job模块分析计算模型.该模块允许用户交互地提交分析作业并进行监控。可以同时提交多个模型和运算并对其进行监控.
⑧Visulization（可视化）:可视化模块提供了有限元模型和分析结果的图像显示。它从数据库中获得模型和结果信息，通过Step修改输出要求，从而用户可以控制写入数据库中的信息.
2车门的有限元模型
2.1车门网格模型
本文研究的是某轿车的前右侧车门，车门的有限元模型如图1所示。利用Hypermesh划分网格完毕后,车门整体模型（包括铰链、粘胶、焊点等）总单元数量60909个，总节点数量为63814个。整个车门系统包括有很多小的零件，其中主要的零件的形状和名称如下图2所示。
图1 车门有限元模型
4
2

5
1

3

7

9
12
8
6

10
11

1-窗框；2—玻璃;3—外板；4—内板；5—玻璃升降器导轨;6—玻璃升降器导槽;7—内板加强板;8—外板加强板；9-防撞杆；10—上铰链安装板；11-下铰链安装板;12—上、下铰链
图2 车门主要零件
2.2 材料属性
在本次分析中，模型中的外板采用DP600钢和6111-T4铝合金材料,它们的密度、杨氏模量和泊松比分别为:7。85E—9t/mm3、210000MPa、0。3；2。7E—9t/mm3、72000MPa、0。33。而且车门中还使用了钢化玻璃（忽略玻璃各向异性)，其密度、杨氏模量和泊松比分别为：2.7E—9t/mm3、72000MPa、0。25。
在进行结构强度分析时,根据国家标准要求，发生的是大变形，所以涉及到塑性变形，其中DP600钢和6111—T4铝合金的塑性应力—应变曲线如下图3所示.
(b) 6111-T4应力-应变
(a) DP600应力-应变

图3 应力-应变曲线图
3结构强度分析
3.1 分析方案
本次对车门强度分析时，车门外板采用不同材料和厚度，分析对车门强度的影响,具体方案如下:
①车门外板使用6111—T4铝合金材料，厚度值变为1mm，内板的材料和厚度均与原车门相同;
②车门外板的材料和厚度均与原车门相同，内板使用6111-T4铝合金材料,厚度值变为1mm；
③车门外板使用6111—T4铝合金材料，厚度值变为1mm，内板也使用6111—T4铝合金材料，厚度值亦变为1mm.
3.2 强度分析
由于车门结构复杂,在挤压大变形过程中车门外壁要与车门内部的玻璃升降机构等构件发生接触，因此涉及到接触有限元问题。通过有限元软件的模拟分析,可以预先定量知道车门的强度特性，如果满足规定的强度要求,可预先得知车门符合强度标准;如果不满足规定的强度数值，则就要对原车门的设计进行优化，例如在车门内部使用加强筋，然后再对优化后的车门进行模拟分析,直到满足强度要求，这样就节省了多次尝试试验所花费的人力和物力。
接触－挤压问题属于非常困难的非线性问题之一，因为在接触－挤压问题中的响应是不平滑的。当挤压发生时，垂直于接触界面的速度是瞬时不连续的。用有限元法解接触问题以往常采用的物理模型是节点对模型，即将两接触物体的接触面划分成相同的网格，组成一一对应的节点对，并假定两接触体的接触力通过节点对传递，这种模型需预先知道接触发生的确切部位，以便施加边界单元，对于结构复杂问题和考虑摩擦的动态接触问题,点对模型将给结构离散和方程求解带来极大困难，从而难以解决.目前我们所常用的点面接触模型是把两接触体分为主动体和被动体,在分析时研究主动体的节点与被动体接触表面上相接触的自由度关系及变形的一致关系,从而确定接触边界条件,然后再从边界变形协调的变分原理出发，建立整个接触系统的控制方程。这种模型可以非常有效地处理复杂接触表面和动态接触问题.接触问题中产生接触的两物体须满足边界互不穿透的约束条件，每一个时间步均会首先检查各从节点是否穿透主面。在接触边界施加不穿透约束的方法主要有拉格朗日乘子法、罚函数法和基于求解器的直接约束,拉格朗日乘子法与罚函数法在处理时都具有一定的局限性,而使用直接约束法处理接触问题则为追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发生接触，便将接触所需的运动约束（即法向无相对运动，切线可滑动）和节点力（法向压力和切向摩擦力)作为边界条件直接施加在产生接触的节点上[3—4］.这种方法对接触的描述精度高,具有普遍适用性。不需要给予直接约束法的接触迭代算法来处理边界非线性问题。
本文建立的模型中涉及到圆柱体与车门之间的接触,以及车门各部件自身之间的接触.因此,选择何种方法引入接触边界条件是一个非常重要的问题。
图4 定义接触
运用有限元软件对车门强度分析时，首先要建立车门和刚体的有限元模型,并将它们的相对位置关系进行合理的约束、定义正确的接触关系，如图4所示。为了更好地使有限元模拟接近实际试验过程，这里有必要简述一下试验要求、边界条件、载荷的施加以及接触的定义,并对模拟结果进行说明。
（1） 试验要求
根据轿车侧门强度试验标准，应满足这样的试验要求：侧窗玻璃位于最高位置,所有车门为锁闭状态,车身应固定牢靠;加载装置的压头是直径为305mm、棱边圆角半径为13mm的刚性圆柱体,其长度应能使其上端面至少高出窗口下边缘13mm,但在试验时不能碰到窗口下边缘之上的任何构件，其下端在车门最低点之上127mm；加载装置的圆柱表面与车门的外表面接触；加载装置的移动速度不得大于12.7mm/s，必须在120s内完成，同时连续记录载荷及相应的位移，直到加载装置移动到457mm为止［5].考虑到试验装置的移动速度很低的情况,试验中的加载过程可以被认为是一个准静态过程，在准静态分析过程中不用考虑材料的应变率效应.
（2） 强度要求
根据国家标准“GB 15743-1995轿车侧门强度要求"，在上述试验条件下，车门应该满足以下强度要求[5］:
①初始耐挤压力不得低于10000N;
②中间耐挤压力不得低于15560N;
③最大耐挤压力不得低于整车整备质量2倍的力或31120N二者中较小值。
其中，初始耐挤压力是指在0-152mm挤压距离上使车门变形的平均力;中间耐挤压力是指在0—305mm挤压距离上使车门变形的平均力；最大耐挤压力是指在457mm的整个挤压距离上记录到的最大力。
（3） 力学边界条件
根据试验条件,可得出模拟分析计算的力学边界条件：载荷边界条件首先用于转动车门的两个铰链，在关门状态时有门锁的约束和车身对车门边框的约束。这些力学边界条件在进行有限元模拟分析时是必须要考虑的，而且要进行适当的简化，每个固定铰链约束六个自由度中的五个：X、Y、Z方向的平动,X、Y方向的转动;门锁处只约束两个自由度：Y向和Z向的平动.
（4） 载荷施加
车门所受到的外界载荷当然就是刚性圆柱体作用到车门外侧的挤压力，这个力在进行有限元模拟分析时却是未知的,而事先已知的是圆柱体的挤压距离（位移）,所以载荷的施加实际上是位移载荷,进而去求出车门在给定的挤压距离内的挤压力、应力、应变及其分布等。通过在刚体上取一个Reference Point，在该Reference Point上约束除加载压头移动方向以外所有的自由度，加载压头在分析中的运动过程,通过在Load模块中添加强制位移边界条件实现的.所需曲线结果输出是在Step模块中创建History Output，具体输出参数是以上提到的用于控制加载装置运动过程的Reference Point中的Reaction forces，其它结果输出按默认设置。
（5） 接触的定义
在使用圆柱体挤压车门的过程中，圆柱体与车门以及车门自身的各个部件之间均会发生接触,一些部件变形后会碰到其他部件,一些部件变形后可能会相互挤压在一起。这些相互挤压的部分之间都会有力的作用，在有限元分析中通过接触来模拟它们之间的作用力关系。在车门变形的过程中,很难人为地判断壳单元发生接触的方向以及发生接触的位置,所以采用定义单面接触的方式来使软件自动判定模型中哪处表面发生接触。使用这种接触类型，可以很简单地定义好整个模型的接触问题，它可以允许一个模型的所有外表面都可能接触,从而避免模型由于大变形而发生部件与部件直接的相互干涉，这对于预先不知道接触表面的自身接触或者大变形问题很有用处。
（6)结果分析
三种方案的强度校核结果图（0-152mm）和耐挤压力值如图5所示:
（b） 方案2变形结果图
（a） 方案1变形结果图

（c） 方案3变形结果图

图5 各方案车门变形图
表1 分析结果对比
方案 初始耐挤压力（N） 中间耐挤压力（N） 最大耐挤压力（N)
方案1 12010 16273 30176
方案2 15550 22607 34540
方案3 15450 18437 32579
国标技术要求 10000 15560 31120
根据车门强度试验标准要求，在0到152mm的挤压距离上初始挤压耐力不得低于10000N，而计算结果为12010N，所以初始挤压强度得到满足。在此阶段的车门变形如图4.2所示。
在0至305mm的挤压距离上，中间挤压耐力不得低于15560N，而计算结果为16273N，所以中间耐挤压强度也得到满足。
在0至457mm的挤压距离上，最大耐挤压力不得低于车身重量的2倍或者31120N，而计算结果为30176N，所以最大耐挤压强度也得到满足。
在这三个挤压过程中,应变（PEEQ)不为零，说明发生了塑性变形.
综上所述，方案一车门结构强度不满足国家标准。
同理可分析方案2和方案3，方案2和方案3的车门结构强度均满足国家标准。其中方案1、方案2和方案3的车门质量分别为20。7kg、22。4kg和20。3kg，相比较方案2，方案3的车门质量更小,故最终选择方案3。
4小结
车门系统的结构设计是整车开发过程中的重要环节,而车门结构强度的计算分析对车门的设计具有重要的指导意义。本文通过对某轿车的前车门进行结构强度分析,并从三种方案中选择最优方案来指导车门的设计，具有重要的参考意义.
5参考文献
［1]曾霁.基于轻量化的车门结构优化［D］．长沙：湖南大学，2012．
［2]于开平，周传月,谭惠丰。Hypermesh从入门到精通[M］.北京：科学出版社，2005。
[3］邵明礼。轿车车门强度试验的计算机模拟［J］。兵工学报，1999，(1）：30—33.
［4］王宏雁，陈君毅。汽车车身轻量化结构与轻质材料［M］。北京:北京大学出版社，2009。
［5］郭小明.弹塑性接触问题的研究及其应用［D]。南京:东南大学，2002。