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. （研究生課程論文 ） 汽車動力學 論文題目：基于ABAQUS的車門強度分析 指導老師： 學院班級： 學生姓名 學 號： 2014年12月 . 基于ABAQUS的車門強度分析 （武漢理工大學） 摘要：轎車門系統(tǒng)結構設計與優(yōu)化是整車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。車門的強度直接關系到整車在沖擊、碰撞等載荷下的安全問題，車門結構靜態(tài)強度的計算分析，在車門結構設計進程中非常重要。本文根據國家“轎車側門強度”試驗標準，基于ABAQUS平臺對車門強度進行有限元模擬分析，車門外板采用不同的材料和厚度，分析對車門強度的影響，并選擇最優(yōu)方案。 關鍵詞：車門；強度；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 汽車車身作為整車三大總成之一，在整車的設計開發(fā)過程中占有極其重要的地位。車門系統(tǒng)是車身上非常重要的組成部件，其性能直接影響著車身結構性能的好壞。在正常服役條件下，車門經常受到關閉時的沖擊，自重導致的彎矩和鉸鏈的拉伸等作用。在車輛受到側面碰撞時，車門的變形量必須控制在一定的范圍內，為乘員提供一個有效的生存空間，因此，車門的強度和剛度直接關系到整車在沖擊、碰撞等載荷下的安全問題。 車門必須符合國家有關轎車車門強度的標準，其中GB 15743——1995法規(guī)規(guī)定了轎車側門的強度要求及試驗方法：使用一定的大小的剛性圓柱體從車門外側擠壓車門，當達到一定的擠壓距離，車門要具有規(guī)定的抵抗力，但如果直接做試驗，將會使用大量的人力和物力[1]。 1 有限元軟件簡介 本文基于Hypermesh和ABAQUS平臺，對車門強度進行分析。 1.1 Hypermesh簡介 在CAE工程技術領域, Hypermesh最著名的特點是它所具有的強大的有限元網格劃分前處理功能。 Hypermesh的網格劃分功能[2]： ①確定網格的單元類型。這取決于要做的分析類型和模型的結構特點，對于同樣的分析，采用的求解器不同也會影響這個選擇。 ②確定網格的大小 這取決于模型的規(guī)模、計算機的能力（CPU、內存、硬盤、是否并行算法），還有對計算精度的要求。 ③劃分網格的方法 網格劃分中對于比較簡單的模型直接采用自由網格劃分，但是對于復雜模型來說，完全自動劃分幾乎是不可能的，算法不能實現且不說，即使劃分出來網格質量也非常差，這個時候就要人工干預劃分的網格質量，并且最后檢查網格質量是否符合要求。 1.2 ABAQUS簡介 ABAQUS無論對簡單或復雜的線性和非線性工程問題都提供了一套完整強大的有限元理論解決方案，對于廣泛領域中的結構，熱和連接分析問題都能解決。 在本次有限元分析中，主要是運用到ABAQUS/CAE中10大功能模塊： ①生成Part（部件模塊）：Part模塊用于創(chuàng)建各個單獨的部件，用戶可以在ABAQUS/CAE環(huán)境中用圖形工具直接生成，也可以從第三方圖形軟件導入部件的幾何形狀。本文中采用的就是從第三方軟件導入。 ②定義Property（特性）：整個部件中的任一個部分的特征，如與該部分有關的材料性質定義和截面幾何形狀，包含在截面（section）定義中。在該模塊下，用戶可以定義截面和材料，并將它們賦予部件的某一部分。 ③創(chuàng)建Assemble（裝配）：創(chuàng)建一個部件時，部件存在于自己的局部坐標系中，獨立于模型的其他部分。用戶可以應用該模塊建立部件的實例，并且將這些實例相對于其他部件定位于總體坐標系之中，從而構成一個裝配件。一個ABAQUS/CAE模型只能包含一個裝配件。 ④創(chuàng)建Step（分析步）：用戶可以應用Step模塊生成和構件分析步，并與輸出需求聯系起來。分析步序列給模擬過程的變化提供了方便的途徑（如變載荷和變邊界問題）?？梢愿鶕枰诜治霾街g更改輸出變量。 ⑤創(chuàng)建Interaction（相互作用）：在該模塊中，用戶可以指定模型各區(qū)域與周圍環(huán)境之間的熱力學或者力學方面的相互作用，如兩個傳熱的接觸表面。其他可以定義的相互作用包括約束，如方程（equation）和剛體（rigid body）約束、綁定（tie）。ABAQUS/CAE不會自動識別部件實體之間或者一個裝配件的各個區(qū)域之間的力學或者熱學的相互作用，用戶要實現該需求，必須在相互作用模塊指定接觸關系。相互作用于分析步有關，這就意味著用戶必須規(guī)定相互作用是在哪個分析步起作用。 ⑥定義Load（載荷）：在載荷模塊中指定載荷、邊界條件和場變量。邊界條件和載荷與分析步有關，這就說明用戶必須指定載荷和邊界條件在哪些分析步驟中起作用。某些場變量僅作用于分析的初始階段，而其他的場變量與分析步有關。 ⑦提交Job（作業(yè)）：一旦完成了所有定義模型的任務，用戶就可以用Job模塊分析計算模型。該模塊允許用戶交互地提交分析作業(yè)并進行監(jiān)控?？梢酝瑫r提交多個模型和運算并對其進行監(jiān)控。 ⑧Visulization（可視化）：可視化模塊提供了有限元模型和分析結果的圖像顯示。它從數據庫中獲得模型和結果信息，通過Step修改輸出要求，從而用戶可以控制寫入數據庫中的信息。 2 車門的有限元模型 2.1 車門網格模型 本文研究的是某轎車的前右側車門,車門的有限元模型如圖1所示。利用Hypermesh劃分網格完畢后，車門整體模型（包括鉸鏈、粘膠、焊點等）總單元數量60909個，總節(jié)點數量為63814個。整個車門系統(tǒng)包括有很多小的零件，其中主要的零件的形狀和名稱如下圖2所示。 圖1 車門有限元模型 4 2 5 1 3 7 9 12 8 6 10 11 1-窗框；2-玻璃；3-外板；4-內板；5-玻璃升降器導軌；6-玻璃升降器導槽；7-內板加強板；8-外板加強板；9-防撞桿；10-上鉸鏈安裝板；11-下鉸鏈安裝板；12-上、下鉸鏈 圖2 車門主要零件 2.2 材料屬性 在本次分析中，模型中的外板采用DP600鋼和6111-T4鋁合金材料，它們的密度、楊氏模量和泊松比分別為：7.85E-9t/mm3、210000MPa、0.3；2.7E-9t/mm3、72000MPa、0.33。而且車門中還使用了鋼化玻璃（忽略玻璃各向異性），其密度、楊氏模量和泊松比分別為：2.7E-9t/mm3、72000MPa、0.25。 在進行結構強度分析時，根據國家標準要求，發(fā)生的是大變形，所以涉及到塑性變形，其中DP600鋼和6111-T4鋁合金的塑性應力-應變曲線如下圖3所示。 (b) 6111-T4應力-應變 (a) DP600應力-應變 圖3 應力-應變曲線圖 3 結構強度分析 3.1 分析方案 本次對車門強度分析時，車門外板采用不同材料和厚度，分析對車門強度的影響，具體方案如下： ①車門外板使用6111-T4鋁合金材料，厚度值變?yōu)?mm，內板的材料和厚度均與原車門相同； ②車門外板的材料和厚度均與原車門相同，內板使用6111-T4鋁合金材料，厚度值變?yōu)?mm； ③車門外板使用6111-T4鋁合金材料，厚度值變?yōu)?mm，內板也使用6111-T4鋁合金材料，厚度值亦變?yōu)?mm。 3.2 強度分析 由于車門結構復雜，在擠壓大變形過程中車門外壁要與車門內部的玻璃升降機構等構件發(fā)生接觸，因此涉及到接觸有限元問題。通過有限元軟件的模擬分析，可以預先定量知道車門的強度特性，如果滿足規(guī)定的強度要求，可預先得知車門符合強度標準；如果不滿足規(guī)定的強度數值，則就要對原車門的設計進行優(yōu)化，例如在車門內部使用加強筋，然后再對優(yōu)化后的車門進行模擬分析，直到滿足強度要求，這樣就節(jié)省了多次嘗試試驗所花費的人力和物力。 接觸－擠壓問題屬于非常困難的非線性問題之一，因為在接觸－擠壓問題中的響應是不平滑的。當擠壓發(fā)生時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的。用有限元法解接觸問題以往常采用的物理模型是節(jié)點對模型，即將兩接觸物體的接觸面劃分成相同的網格，組成一一對應的節(jié)點對，并假定兩接觸體的接觸力通過節(jié)點對傳遞，這種模型需預先知道接觸發(fā)生的確切部位，以便施加邊界單元，對于結構復雜問題和考慮摩擦的動態(tài)接觸問題，點對模型將給結構離散和方程求解帶來極大困難，從而難以解決。目前我們所常用的點面接觸模型是把兩接觸體分為主動體和被動體，在分析時研究主動體的節(jié)點與被動體接觸表面上相接觸的自由度關系及變形的一致關系，從而確定接觸邊界條件，然后再從邊界變形協調的變分原理出發(fā)，建立整個接觸系統(tǒng)的控制方程。這種模型可以非常有效地處理復雜接觸表面和動態(tài)接觸問題。接觸問題中產生接觸的兩物體須滿足邊界互不穿透的約束條件，每一個時間步均會首先檢查各從節(jié)點是否穿透主面。在接觸邊界施加不穿透約束的方法主要有拉格朗日乘子法、罰函數法和基于求解器的直接約束，拉格朗日乘子法與罰函數法在處理時都具有一定的局限性，而使用直接約束法處理接觸問題則為追蹤物體的運動軌跡，一旦探測出發(fā)生接觸，便將接觸所需的運動約束（即法向無相對運動，切線可滑動）和節(jié)點力（法向壓力和切向摩擦力）作為邊界條件直接施加在產生接觸的節(jié)點上[3-4]。這種方法對接觸的描述精度高，具有普遍適用性。不需要給予直接約束法的接觸迭代算法來處理邊界非線性問題。 本文建立的模型中涉及到圓柱體與車門之間的接觸，以及車門各部件自身之間的接觸。因此，選擇何種方法引入接觸邊界條件是一個非常重要的問題。 圖4 定義接觸 運用有限元軟件對車門強度分析時，首先要建立車門和剛體的有限元模型，并將它們的相對位置關系進行合理的約束、定義正確的接觸關系，如圖4所示。為了更好地使有限元模擬接近實際試驗過程，這里有必要簡述一下試驗要求、邊界條件、載荷的施加以及接觸的定義，并對模擬結果進行說明。 （1） 試驗要求 根據轎車側門強度試驗標準，應滿足這樣的試驗要求：側窗玻璃位于最高位置，所有車門為鎖閉狀態(tài)，車身應固定牢靠；加載裝置的壓頭是直徑為305mm、棱邊圓角半徑為13mm的剛性圓柱體，其長度應能使其上端面至少高出窗口下邊緣13mm，但在試驗時不能碰到窗口下邊緣之上的任何構件，其下端在車門最低點之上127mm；加載裝置的圓柱表面與車門的外表面接觸；加載裝置的移動速度不得大于12.7mm/s，必須在120s內完成，同時連續(xù)記錄載荷及相應的位移，直到加載裝置移動到457mm為止[5]?？紤]到試驗裝置的移動速度很低的情況,試驗中的加載過程可以被認為是一個準靜態(tài)過程,在準靜態(tài)分析過程中不用考慮材料的應變率效應。 （2） 強度要求 根據國家標準“GB 15743-1995轎車側門強度要求”，在上述試驗條件下，車門應該滿足以下強度要求[5]： ①初始耐擠壓力不得低于10000N； ②中間耐擠壓力不得低于15560N； ③最大耐擠壓力不得低于整車整備質量2倍的力或31120N二者中較小值。 其中，初始耐擠壓力是指在0-152mm擠壓距離上使車門變形的平均力；中間耐擠壓力是指在0-305mm擠壓距離上使車門變形的平均力；最大耐擠壓力是指在457mm的整個擠壓距離上記錄到的最大力。 （3） 力學邊界條件 根據試驗條件，可得出模擬分析計算的力學邊界條件：載荷邊界條件首先用于轉動車門的兩個鉸鏈，在關門狀態(tài)時有門鎖的約束和車身對車門邊框的約束。這些力學邊界條件在進行有限元模擬分析時是必須要考慮的，而且要進行適當的簡化，每個固定鉸鏈約束六個自由度中的五個：X、Y、Z方向的平動，X、Y方向的轉動；門鎖處只約束兩個自由度：Y向和Z向的平動。 （4） 載荷施加 車門所受到的外界載荷當然就是剛性圓柱體作用到車門外側的擠壓力，這個力在進行有限元模擬分析時卻是未知的，而事先已知的是圓柱體的擠壓距離（位移），所以載荷的施加實際上是位移載荷，進而去求出車門在給定的擠壓距離內的擠壓力、應力、應變及其分布等。通過在剛體上取一個Reference Point,在該Reference Point上約束除加載壓頭移動方向以外所有的自由度,加載壓頭在分析中的運動過程,通過在Load模塊中添加強制位移邊界條件實現的。所需曲線結果輸出是在Step模塊中創(chuàng)建History Output，具體輸出參數是以上提到的用于控制加載裝置運動過程的Reference Point中的Reaction forces，其它結果輸出按默認設置。 （5） 接觸的定義 在使用圓柱體擠壓車門的過程中，圓柱體與車門以及車門自身的各個部件之間均會發(fā)生接觸，一些部件變形后會碰到其他部件，一些部件變形后可能會相互擠壓在一起。這些相互擠壓的部分之間都會有力的作用，在有限元分析中通過接觸來模擬它們之間的作用力關系。在車門變形的過程中，很難人為地判斷殼單元發(fā)生接觸的方向以及發(fā)生接觸的位置，所以采用定義單面接觸的方式來使軟件自動判定模型中哪處表面發(fā)生接觸。使用這種接觸類型，可以很簡單地定義好整個模型的接觸問題，它可以允許一個模型的所有外表面都可能接觸，從而避免模型由于大變形而發(fā)生部件與部件直接的相互干涉，這對于預先不知道接觸表面的自身接觸或者大變形問題很有用處。 （6）結果分析 三種方案的強度校核結果圖（0-152mm）和耐擠壓力值如圖5所示： （b） 方案2變形結果圖 （a） 方案1變形結果圖 （c） 方案3變形結果圖 圖5 各方案車門變形圖 表1 分析結果對比 方案 初始耐擠壓力（N） 中間耐擠壓力（N） 最大耐擠壓力（N） 方案1 12010 16273 30176 方案2 15550 22607 34540 方案3 15450 18437 32579 國標技術要求 10000 15560 31120 根據車門強度試驗標準要求，在0到152mm的擠壓距離上初始擠壓耐力不得低于10000N，而計算結果為12010N，所以初始擠壓強度得到滿足。在此階段的車門變形如圖4.2所示。 在0至305mm的擠壓距離上，中間擠壓耐力不得低于15560N，而計算結果為16273N，所以中間耐擠壓強度也得到滿足。 在0至457mm的擠壓距離上，最大耐擠壓力不得低于車身重量的2倍或者31120N，而計算結果為30176N，所以最大耐擠壓強度也得到滿足。 在這三個擠壓過程中，應變（PEEQ）不為零，說明發(fā)生了塑性變形。 綜上所述,方案一車門結構強度不滿足國家標準。 同理可分析方案2和方案3，方案2和方案3的車門結構強度均滿足國家標準。其中方案1、方案2和方案3的車門質量分別為20.7kg、22.4kg和20.3kg，相比較方案2，方案3的車門質量更小，故最終選擇方案3。 4 小結 車門系統(tǒng)的結構設計是整車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，而車門結構強度的計算分析對車門的設計具有重要的指導意義。本文通過對某轎車的前車門進行結構強度分析，并從三種方案中選擇最優(yōu)方案來指導車門的設計，具有重要的參考意義。 5 參考文獻 [1]曾霽.基于輕量化的車門結構優(yōu)化[D]．長沙：湖南大學，2012． [2]于開平，周傳月，譚惠豐.Hypermesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005. 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