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 計（論 文） 設計(論文)題目： 汽車車門輕量化研究分析 　　　　　　　　 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 1 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1介紹車門的結構 1 1.2 介紹汽車輕量化實施途徑 1 1.3 介紹汽車車門輕量化的研究現狀 2 1.3.1 國外研究現狀 2 1.3.2 國內研究現狀 3 1.4 本課題研究的主要內容和研究意義 3 2 乘用車車門的三維建模 5 2.1 車門的設計標準 5 2.2 車門的三維建模 6 2.3 本章小結 8 3 車門有限元模型的建立 10 3.1 導入模型 10 3.2 選擇材料 10 3.3 網格劃分 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 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)化后的結果分析 20 4.3 車門碰撞的時序分析 21 5 總結 23 參考文獻 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，不僅僅與車身構成乘客的生存空間，而且也是保證車內乘客安全性和舒適性的重要前提，并且還應該有足夠的剛度，來承受側面碰撞的能力。同時，車門材料的運用及結構優(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計的前提下，將車門的輕量化應用在汽車工業(yè)中，就顯得極其重要。根據所提出的條件，本文章主要分析車門的三大內容。首先，概括下國內外車門研究的發(fā)展趨勢，并介紹車門的研究意義和車門內外板材料的運用及防撞梁的結構優(yōu)化。其次，建立了乘用車車門的三維模型。最后，主要運用上述的結果對汽車車門與傳統(tǒng)車門相比較進行優(yōu)化，以達到車門輕量化的目的，并且提高汽車在行駛過程中的經濟性。 本文的研究分析表明:對汽車車門內外板材料的運用及防撞梁的結構優(yōu)化，能夠減輕車門質量，實現汽車車門的輕量化。 關鍵詞：車門；輕量化；剛度分析；結果優(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介紹車門的結構 車門作為汽車車身上的活動件，同時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、車門附件和內飾蓋板[1]。車門門體由車門外板、車門內板、車門加強橫梁、車門窗框和車門加強版組成；車門附件由車門限位器、車門鉸鏈、門鎖機構及內外手柄、門玻璃、玻璃升降器和密封條組成；內飾蓋板由固定板、芯板、內飾蒙皮和內扶手組成。如圖1.1所示。 如圖1.1 車門結構 1.2 介紹汽車輕量化實施途徑 現代化汽車的發(fā)展，在追求安全、舒適、環(huán)保等各個方面，汽車的各個層面都在精益求精，但同時，汽車上的電器裝置，比如行車電腦顯示屏、車載電話、空調、音響等設備都已經成為低檔車的標準配置，從而也就導致汽車的整車質量大幅度上升。為了將汽車整車減重，設計師們通過研究大量的實驗數據將汽車整車質量減重，以提高汽車在行駛過程中的動力性、燃油經濟性，并且減少汽車燃料不完全燃燒的產物和有害的氧化物。在其制造成本及現有制造技術條件所允許的限定范圍之內，技術員們通過各種實施路徑來實現汽車整體的輕量化。雖然汽車輕量化的途徑各式各樣，但結合國內、外汽車輕量化的研究現狀，目前在運用汽車輕量化的實施途徑上有三大措施。 (1)實施簡化汽車結構實現輕量化 目前,在落實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 也隨之帶來了缺點，比如新材料的開發(fā)時期長、開發(fā)費用高、制造技術高，很大地限制了在實施汽車輕量化途徑中的運用。同時，汽車結構的優(yōu)化也極其廣泛，在其技術上也相對比較嫻熟，這也是首先對其結構進行優(yōu)化的原因。 然而結構優(yōu)化的前提，是符合汽車車門的安全性能的情況下，通過優(yōu)化設計對車門結構上的尺寸來優(yōu)化，汽車的結構優(yōu)化又通過兩個方面的內容來表現，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)化是通過車門的截面厚度來優(yōu)化，而形狀優(yōu)化是使得車門內部的受力情況都均勻化[2]。 對車門結構優(yōu)化的優(yōu)點是開發(fā)的周期短，而且優(yōu)化的研發(fā)成本比較小，所以從輕量化的結果上看還是會優(yōu)先考慮。對車門的結構優(yōu)化，主要是依靠對車門結構及相對零部件的優(yōu)化，使得車門部件小型化、薄壁化和復合化。從而達到輕量化的效果，然后校驗時利用CAE技術,來確保設計滿足強度和剛度要求。這種優(yōu)化設計技術已經融合進了汽車設計的前期開發(fā),能夠大大地縮短開發(fā)周期,降低成本,提高了工作效率和經濟效益[1]。 (2)通過使用新材料實現汽車輕量化 據相關人士統(tǒng)計，現代轎車中車身所用材料占自重 90%的有六個大因素，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，鋼材的運用在汽車自重比例上成下降趨勢，輕質材料的使用在不斷攀升。所以，輕質材料的使用將會是汽車輕量化的發(fā)展形勢。 由于車門內外板的結構形式已經定型，所以從車門結構上優(yōu)化，不容易減輕車門的自重，因此需要通過使用新材料實現汽車車門的輕量化，如結構鋼、鋁合金、復合材料和鎂合金等，來使得在選用材料的時候，將車門的質量減輕。由于考慮到復合材料制造工藝的特殊處，使用復合材料應用在車門的內外板上，明顯不符合要求。因此，在此只采用高強度鋼、鋁合金和鎂合金來做車門的輕量化的研究分析。 (3)依靠新工藝實現汽車輕量化 相對于車門較復雜的零部件而言，卻無法通過結構優(yōu)化來實現，只能依靠新工藝實現汽車輕量化。而在傳統(tǒng)工藝的基礎上，也需要融入先進的工藝以及先進的制造技術，同時，新工藝的出現，在實現汽車輕量化的程度上，提供了更多的技術幫助。如果新工藝落實到車門在初期設計的前提下，在車門結構上能夠得到合理的利用，從而可以減少開發(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，通過這兩大類工藝，不僅僅能夠減少產品的質量，而且能夠降低成本以及縮短周期。在實施汽車輕量化的過程中，一般通過優(yōu)化汽車結構、運用新材料，來實現汽車的輕量化，但顯然使用新工藝來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狀 1.3.1 國外研究現狀 在二十世紀初，汽車輕量化技術在當時并不被看好。那時喜愛汽車的認為汽車自重越大越安全，所以導致在制造后汽車的自重達到1500kg[3]。當時的汽車在設計上體現在運輸方面，為了在行駛和維修時的方便，設計師們使用鋼鐵等材料作為汽車的構造，從而導致汽車自重非常大。隨著全世界各地石油嚴重短缺,同時隨著汽車的快速發(fā)展，人們才意識到并開始汽車輕量化的研究,并將相應的技術應用在汽車上，汽車的總體質量才開始逐漸下降。 隨著汽車結構上優(yōu)化、新工藝技術以及新材料技術的應用，汽車輕量化才得以實現，而且開始逐步應用在汽車工業(yè)生產中，汽車輕量化技術從此得到一個持續(xù)的發(fā)展。據相關人士統(tǒng)計，20世紀80年代初，美國中型大小的汽車的平均整車自重達到1520kg，到了 90 年代末，平均整車自重達到1230kg，大概下降了300kg[2]。而通過資料顯示，如果美國汽車的自重減少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到1.01億噸[2]。 1.3.2 國內研究現狀 隨著科技的發(fā)展，社會的進步，才會有汽車時代的到臨。目前，我國已經成為消費與制作一體的大國，但是在汽車制造技術上而言，國內的制造技術已經很完善，而在汽車輕量化技術、排放及控制技術的水平上，和歐美相比較還有很大的上升空間。雖然我國輕量化技術在國內是后期之秀，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面碰撞安全性能研究》一文中指出，在車門上進行碰撞防真分析，使用有限元軟件，對車門的防撞梁結構進行優(yōu)化，從而實現汽車的輕量化設計?；粜⒉╗1]《基于新型板材的汽車車門輕量化優(yōu)化設計》本文針對轎車車門，進行輕量化研究分析，使得車門在滿足靜剛度的性能要求的情況下，進行質量最小化的設計。 1.4 本課題研究的主要內容和研究意義 本文從汽車輕量化這一角度，對汽車新材料、結構優(yōu)化和新工藝，分別作出相應的研究并且分析。根據當前汽車工業(yè)的輕量化技術和行內相關工作經驗進行了總結，并使用有限元分析技術，對車門進行了有限元分析，同時提出合理的輕量化優(yōu)化技術。以下是本文研究分析方向： (1)車門的研究現狀。首先介紹本課題的研究背景以及國內外輕量化車門的研究現狀，并說明本課題研究的主要內容和研究意義。 (2)車門三維模型的建立。首先介紹車門的結構及其概述，對車門材料及結構優(yōu)化進行運用，并建立車門的三維模型。 (3)車門的有限元分析。首先對車門進行網格的劃分，材料的選取，利用有限元軟件對車門進行前處理，建立車門的有限元模型。 (4)車門剛度分析與優(yōu)化。首先對車門的剛度進行分析，驗算車門的剛度是否在安全設計要求的范圍之內，同時對汽車的車門進行優(yōu)化，以達到車門結構輕量化和提高經濟性的目的。 隨著汽車產量的增加，汽車工業(yè)發(fā)展的愈來愈快，給社會帶來便利的同時，也讓汽車產業(yè)陷入了危機，石油等不可再生資源的消耗，使得資源越來越少。同時由于汽車排放控制的技術的落后，也使得全球環(huán)境污染的嚴重性。如今全世界的石油消耗量，第一是美國，其次是中國。我國進口的石油占50%，其中在汽車中利用率占30%的石油。對外使用石油的依存度已經超過了50%，汽車保有量的增加是導致我國石油急速攀升的一個主要原因。與其他國家相比較而言，我國在汽車輕量化技術上還存在一定的距離。但近年，由于環(huán)境問題的日益嚴重，不但輕量化技術有所提高，而且在汽車排放控制技術上也取得很大的成果。 對汽車本身的性能來說，降低自重，有利于緩解汽車結構件的疲勞，提升行駛過程的穩(wěn)定性。汽車材料的運用及結構優(yōu)化，可以有效的降低車輛的整車質量，同時又能提高汽車在行駛過程的舒適性和安全性，并且提高了汽車燃油經濟性。據推算：如果汽車整車質量降低百分之十，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是沖壓成型的構件，其質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 當前在汽車制造的工藝鏈中絕大部分使用的是內外板型的結構形式[5]。其車門的玻璃窗框與內、外板形成一體，由鋼制板件沖壓而形成的外板和內板翻邊焊接或粘接而成。車門與車身相互協(xié)調，外板包裹著內板，同時沿著外板的邊緣形成剛性箍。內板是車門的關鍵零件，而內板上的各種形狀的孔洞以及加強筋，是為了車門附件安裝在內板上。在將附件安裝在內板上之后，用內飾板改裝車門附件，同時根據車門的安全性技術要求，在內板上焊接加強版，為了便于將局部受力載荷有效地傳遞到內板垂直面上。 車門按結構種類分有很多，按開啟方式可大致分為拉門、旋轉門和外擺式門[8]。折疊門與外擺式門這兩種構造形式主要用于SUV及大型客車；旋轉式車門主要用于貨車與轎車車門，車門的運動方向呈多種形式。但同時為了乘客方便上車，在車門旋轉處支柱上設置鉸鏈的位置。車門按結構形式分有兩種，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 車門的設計標準 在整體式車門中，整體式車門是依靠車門內外板整體沖壓成型，同時，鑲嵌在內外板之間的窗框，通過工藝的包邊以及焊接而合成的稱為白車門 [9]。這種類型結構表現在內外板都是整體沖壓，在形狀與尺寸上精確度要求會很高，同時滿足剛度要求，而且在制造上工序步驟相對較少。在車門內部結構件中，各類零件也不多，從而有效的改善了車內的密封性，但在大體結構上需要大面積的壓床，從而導致材料上的浪費；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，內外板式從整個窗框部分分離出來的，窗臺以下的部分為縮小的車門內外板尺寸，窗框是由窗框導軌和沖壓件拼焊而成，車門是通過窗框與車門內板位置焊接起來的完整車門 [9]。車窗框一般來說用相對薄型的鋼板來作為沖壓件，之后于車門整體連接時用上焊接或使用螺釘的方式，因此在視野上得到比較好的滿足。同時在材料上也節(jié)省許多，車門內、外板材料使用率也相對提高。 車門作為車身中一個獨立總成機構，其設計的效果直接影響車輛的安全性、車內視野性、車門密封性以及振動噪聲等性能[7]。因此，汽車車門在設計上必須合理，設計中有以下幾點要求： (1)為了使車內駕乘人員上、下車方便，車門應有必要的開度，最大開度控制在65°~70°左右[8]。 (2)為確保車內人員的安全，汽車在進一步研究側面碰撞對人體造成的傷害以及車身側面抗撞性能發(fā)生碰撞或側翻事故時[10]。應能確保不管車門在開閉狀態(tài)，都能人力去操控車門的開啟與關閉。 (3)為考慮在設計A、B 柱時對其車身耐撞性的影響[6]，在車門窗結構上，應擴大車門尺寸，確保駕駛人有足夠的視野。 (4)車門在設計時，還應保證與車身有合理的協(xié)調性。 (5)車門的密封性能要設計合理，從而保證車內的舒適性。 (6)保證生產的工藝性，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。在車身各類問題中，車門出現的故障問題最多，比如說車門有異響、車門鎖的失效、無法正常閉合等，這些問題的出現時刻困擾著乘駕人員，所以，車門設計是否合理影響著車內駕乘人員的舒適性和安全性。而車門內、外板之間的防撞梁在碰撞過程中，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，在不增加防撞梁質量的前提下，采用圓管式的結構進行剛度受力分析。在進行受力分析時，防撞梁的長度是固定的，而在寬度以及厚度上，可以適當進行修改。 2.2 車門的三維建模 車門是以零件的制造工藝性角度來進行分類的，主要包括兩種：一是以等料厚、車門內外表面性質大體一致為特點的車門外板沖壓件；二是以不等料厚、車門內外表面形狀不一致為特點的車門內板[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量需符合車身造型技術的要求。由于輕量化以及側面碰撞的安全性要求而言，車門外板應該具備足夠的剛度，所以轎車車門外板主要使用高強度鋼板。 （2）車門內板：作為車門的重要組成構件，車門上所有附件基本上都安裝在車門內板上，一般內板的厚度在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，車門內板上應有足夠的剛度，所以說內板周邊需沖壓出的凸邊、加強肋或使用加強版焊接在母版上。 （3）車門防撞梁：車門防撞梁的主要作用是在汽車遭遇到側面碰撞時，防止外部的受力侵入到車內，從而導致對乘員的傷害。為了使車門能夠達到安全的標準，現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，而防撞梁兩端通過連接件焊接在車門內板上。 由于在使用軟件畫車門外板的大概模型時，外板并不能夠體現出車門的受力問題，所以將車門的構造約束化。因為車門由三大部分特性構成，其一是輪廓特性，其二是功能特性，其三是結構特性。輪廓特性主要是創(chuàng)建車門內板和內板周圍的凸緣以及車門門體的保護面等這些框架結構。因此本文根據車門的結構特性分為輪廓特性、功能特性和結構特性等三個部分[12]。功能特性實現了一些如鉸鏈安裝與車門玻璃升降器凸臺的相關設計和結構設計特性[12]。結構特性主要體現在兩種結構之間的連接功能與結構支撐功能并確保車門能夠有效的工作[12]。本文主要構造車門的輪廓特性，首先創(chuàng)建車門的內外板及其防撞梁，然后確定車門內外板的布置是否合理，最后依靠結構分析來提高車門的工藝及使用性。參照丁鴻儒[7]《某型乘用車車門設計與有限元仿真分析》的建模標準，建立帕薩特車門的模型，主要建模包括以下步驟： 第一步，首先結合車門的外形設計，融入車門結構的基礎上，以車門輪廓的切面作為基準面，從而來確定車門的密封中心線，如圖2.2所示。 圖 2.2 車門的輪廓基準面 第二步，考慮車門附件所在的布局，在構造車門結構時，合理地將車門附件布置在車門上。在布置車門內外板時，將車門附件固定在車門內外板上。在車門內板上布置時，就需要對車門板進行結構上的分塊處理，如圖2.3所示。 圖 2.3 車門內飾件 在構造汽車車門內板時，比如車框玻璃的升降器、車門上的鉸鏈、門鎖、揚聲器等，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，一是當車門內板上附件占用比較大的面積，并且所受到的力不均勻的時，為了確保能夠保證車門的剛度要求，在設計車門結構時，一般都會設計成凸臺的這樣的結構方式，目的是能夠將附件安裝在車門上更牢固。二是考慮那些車門附件占用面積比較小時，而且受到的力比較集中，或者說受到的力很大，比如說，鉸鏈的安裝與拆卸。對于附件的安裝比較聚集的時候，將內板上的附件凸起就不合理，所以，為了滿足車門內板的剛度要求，通常情況下，采用內板整體凸起的結構方法，或者說將內板附件的厚度增加，來確保車門內飾件符合自身的剛度要求。假設車門鉸鏈處的安裝間隔相對比較小，并且受到施加載荷的力較大時，對于這種剛度上的不足，或者說這些特征都不能用凸起的結構解決，那么只有增加車門板的厚度，或者通過增加車門的加強版來解決。同時，為了解決車門的應力問題，還需要應用傳統(tǒng)的鉸鏈結構方法，來提高車門的剛度。 第三步，檢測車門的結構設計，確保車門結構的完善性。在處理完車門內外板之后，將車門內板進行分布處理，需要對車門附件進行模型劃分，將車門的三維數據進行處理，最后可以呈現車門的基本模型，如圖2.4所示。 圖2.4 車門的基本模型 由于在車門設計時，車門在處理上缺乏整體性平衡性能結構，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題。因此，在車門的結構上，車門的厚度以及各個倒角處可適當進行調整。 車門在構造到最后階段，三維模型的建立已完成，最后，通過PROE軟件中的曲面建模進行橋接、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 本文從車門的設計標準來講，概括車門結構，文章首先結合車門的外形設計，以對車門的安全性為設計前提，建立了車門剛度要求的標準，并且從車門結構化的設計以及從人體人機工程學的角度，對車門設計進行了闡述，為車門的優(yōu)化分析提供了強大的支撐。 首先，結合車門外形的設計，以車門輪廓的切面作為基準面，確認車門各個部件中的組成方式。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細節(jié)問題。最后通過Creo軟件中，曲面建模模塊中的拉伸、填充、延伸和橋接等功能，對車門基本的模型進行修改，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 導入模型 通過有限元進行仿真分析，首先將車門三維模型導入到有限元軟件中，并且根據模型將其簡化，建立其幾何模型。而后在此基礎上對幾何模型進行網格劃分，并進行接觸控制、施加約束及載荷等一系列邊界條件的設置[3]。如圖3.1所示。 圖3.1 導入模型 3.2 選擇材料 目前，輕質材料選用是汽車輕量化的重要途徑，而應用在汽車上的輕質型材料主要有鋁合金、結構鋼、復合材料以及鎂合金。鋼的特點是:強度高、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[11]。鋁合金的特點是:強度高、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比較小,沖壓成型性慢,在制造中不宜成型[11]。鎂合金在實用金屬中是最輕的金屬，具有強度高、重量輕以及剛性高的特點，并且也具有良好的鑄造性能。 鋼板的高強度化容易引起塑性變形的下降，而且成型性下降，并且屈服強度的提升會引發(fā)畸變以及回彈效應，增加材料形狀的不穩(wěn)定性能，因此，對沖壓技術而言，高強度鋼板是一種難以成型的材料。成型后的缺點有形狀不良、卡磨具、開裂以及影響尺寸的精度。 因為車身構件自身的要求和特點，以及根據鋁合金的材料上的特征，在車身零部件制造時，鋁合金與鋼材的制造工藝有很大的相似之處，所以說，在新工藝的研究上，應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程有內高壓、擠壓、沖壓、電磁、加熱吹塑、壓鑄等，根據不同的零件結構，鋁合金在選用上會依據鋁合金的性能而定。 復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]到復合材料的特殊處，本文暫不選用復合材料進行分析，如表3.1所示。 表3.1 各類材料的比較 鎂合金 結構鋼 鋁 塑料 密度/kg·m-3 1950 7800 2710 900～2100 熔點/℃ 650 1600～1700 840～920 180～300 拉伸極限 /N·㎜-2 70～230 290～450 40～230 — 通過有限元軟件，通過查看Engineering Data進行應用，首先對車門內外板材料進行選擇，目前分別選用鋁合金、鎂合金和結構鋼，作為車門內外板材料進行受力分析，如圖3.2所示。 圖3.2 材料的選用 3.3 網格劃分 在劃分網格密度程度時，不僅僅是一個精度的問題，而且關系到三維模型在進行網格劃分時時間長短的問題，當對三維模型進行網格劃分時，網格上單元體的尺寸的大小，對模型的受力分析，及其受力呈現形式，都起到很重要的影響。如果網格劃分的很細，那么所占用內存容量會很大，而且在劃分時所用的時間也比較多，但如果網格劃分的很粗，那么所劃分下來的精度也會隨之下降，而且網格劃分的大小則需要依據單元的不同類型來考慮。如果單元網格發(fā)生劇烈的變化，則可能會出現受力分析的精度下降，為了保證在進行應力分析時，分析后的準確性，需將將網格準確化。 在對車門進行有限元分析的時候，車門附件上的安裝位置孔可以省略，車門的內板與附件之間聯(lián)系比較密切，所以使用的材料也應該與內板上的材料使用一致，并且車門外板的厚度比車門內板少一半。當將模型導入到有限元分析時，首先對車門得選擇合適的單元類型，根據單元類型，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，以及精度標準等問題。在進行有限元分析時，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雜曲面的使用。為了使有限元分析更準確，三角形的殼單元的數目占很少比例。但在實際的運用中，主要是根據車門的結構情況、所設計的標準、所受力的載荷等，來控制單元的大小及數量。根據車門有限元網格劃分質量的統(tǒng)一標準，以下是網格質量的評判標準，如表3.2所示。 表3.2 有限元網格質量標準 評價項 優(yōu) 良好 較危險 較差 很差 單元最大長度 10.00 15.00 25.00 30.00 50.00 單元最小長度 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 劃分網格時控制殼單元網格質量如下：最小邊邊長不應小于5厘米，最大翹曲不應大于15度，四邊形單元的最小角角度不應小于40度，最大角角度不應大于140度，三角形單元最小角角度不應小于20度，最大角角度不應大于120度[14]。該網格標準通常能夠在整車模擬計算中在控制計算時間的基礎上保證模型的計算精度，從而建立車門的離散化有限元模型，如圖3.3所示。 圖3.3 網格的劃分 總體來說，網格劃分的數目越多，最后的分析結果顯示也就越精確，但隨之而來的計算量也就增大了，從而影響計算的效率。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48582個。細長單元的網格會對網格質量產生影響，一般情況下，假設細長網格的單元比大于5.0時，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、內外板剛度等[11]。在考慮整個車門的受力分析時，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車門系統(tǒng)進行分析，但是因為車門結構件繁多，而且在側面受力中，車門門體吸到絕大部分的能量，所以本文在車門中進行簡化，文中只研究對車門的垂直剛度進行分析評價。 對車門模型進行垂直剛度分析，首先使車門處在禁止的狀態(tài)下，在車門四周對其進行自由度約束，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 車門的應力云圖 通過有限元workbench對車門模型進行剛度分析，首先對車門的材料進行選擇，用鋁合金作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，可得車門的受力應力云圖，如圖3.6所示。 圖3.6 選用鋁合金作為材料的應力云圖 通過此車門的應力云圖,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。從該應力云圖中，可得出結論，在選用鋁合金作為車門內外材料時，此車門受到的最大應力，大小為626.22MPa,出現了嚴重的變形，此處的應力還有可能會導致車門的侵入量過大。 通過有限元workbench對車門剛度模型進行優(yōu)化分析，首先對車門的材料進行選擇，用鎂合金作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，可得車門的受力應力云圖，如圖3.7所示。 圖3.7 選用鎂合金作為材料的應力云圖 通過此車門的應力云圖，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，所以可細致的觀察到車門的能量分布圖。從該應力云圖中，可得出結論，在選用鎂合金作為車門內外板材料時，此車門受到的最大應力，大小為627.45MPa,相對于圖3.6所示，車門的最大應力增大。 通過有限元workbench對車門剛度模型進行優(yōu)化分析，首先對車門的材料進行選擇，用結構鋼作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，可得車門的受力應力云圖，如圖3.8所示。 圖3.8 選用結構鋼作為材料的應力云圖 通過此車門的應力云圖，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，所以可細致的觀察到車門的能量分布圖。從該應力云圖中，可得出結論，在選用結構鋼作為車門內外材料時，此車門受到的最大應力，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力是最小的，但此處的最大應力還是可能會導致車門侵入量過大，從而影響駕乘人員的安全性。 通過有限元workbench對車門剛度模型進行優(yōu)化分析，對車門防撞梁的結構進行分析，并且通過軟件中solution來查看求解結果，可得防撞梁的受力應力云圖，如圖3.9所示。 圖3.9 圓管型的應力云圖 從該圓管型防撞梁可以看出，所受到的應力很大，容易出現不穩(wěn)定的現象，此處的應力可能會造成防撞梁抗彎曲能力不行，容易引起折斷，可能會造成隱患，所以對防撞梁進行優(yōu)化。 3.5.2 車門的位移云圖 通過有限元workbench對車門模型剛度進行優(yōu)化分析，首先對車門的材料進行選擇，用鋁合金作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，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，從該位移云圖對車門有一個直觀的了解，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很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了3.88mm。 通過有限元workbench對車門模型剛度進行優(yōu)化分析，首先對車門的材料進行選擇，用鎂合金作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，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，從該位移云圖對車門有一個直觀的了解，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很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了6.10mm。 通過有限元workbench對車門模型剛度進行優(yōu)化分析，首先對車門的材料進行選擇，用結構鋼作為車門的內外板，并且通過軟件中solution來查看求解結果，可得車門的位移云圖，如圖3.12所示。 圖3.12 選用結構鋼作為材料的位移云圖 觀察圖3.12所示，從該位移云圖對車門有一個直觀的了解，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很大的撞擊力，所以由圖可以知道車門位移了1.38mm。 通過有限元workbench對車門模型剛度進行優(yōu)化分析，對防撞梁的結構進行優(yōu)化分析，并且通過軟件中solution來查看求解結果，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 從該總應變云圖對防撞梁有一個直觀的分析，可知防撞梁的中間受力最大，容易出現折斷的現象，是圓管型結構最薄弱的區(qū)域，在安全上有很大的影響。 3.6 本章小結 將車門模型導入到有限元workbench中，通過車門有限元模型網格的質量標準，對車門進行網格劃分，從而建立車門的有限元模型，進行剛度分析。本文主要對車門內外板及加強梁進行研究分析，所以網格劃分時厚度在5mm左右，網格劃分的尺寸一般在8到10mm，在網格劃分時，在孔、凸臺、加強筋等位置，網格所需要劃分的比較細，是屬于比較復雜的曲面，從而在進行網格的劃分時難度會比較大，這些位置可能會出現最大應力，因此在網格劃分的質量要求上，要做到一個很好的控制。因為這些位置使得單元中各個節(jié)點不在同一平面上，所以網格劃分時會產生網格上的翹曲，只要將角度控制在一定的范圍之內，就不會對有限元分析的精度產生影響。 乘用車車門剛度的指標是車門的靜態(tài)剛度，這也是車門的基本設計條件之一[17]。因此是否符合要求是整車性能的基本標準，并且車門的剛度與整車性能是相輔相成的。當選用鋁合金作為分析材料的時候，此時的最大應力為626.22MPa，位移量為3.88mm；當選用鎂合金作為分析材料的時候，此時的最大應力為627.45MPa，位移量為6.10mm；當選用結構鋼作為分析材料的時候，此時的最大應力為624.78MPa，位移量為1.38mm。?利用公式K=F/s來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計算得到車門的垂直剛度分別為257.73N/mm、163.93N/mm、724.64N/mm。根據相關參考文獻，車門的剛度值要大于250N/mm[7]。所以選用鋁合金、結構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外板不能滿足車門的垂直度要求。 雖然防撞梁的本身的質量不變，但作為圓管型結構的防撞梁在受到力時，位移量很大，從而說明受力后的侵入量會變的很大，同時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，將其結構進行優(yōu)化，以便于能夠吸收更多的能量。在保證防撞梁質量不變的前提下，從而進行結構上的優(yōu)化，保證防撞梁的中央節(jié)的位移量最小。在進行優(yōu)化時，將防撞梁的中間部位向內凹陷，兩端向外凸起。在受到撞擊時，這種結構會使得防撞梁的位移量減少，起到了最大的程度上的緩沖，能夠有效的保護室內乘坐人員。 通過選用不同的材料，根據質量公式，質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量，因此，通過材料以及結構的優(yōu)化實現車門的減重，從而實現車門的輕量化設計。 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)化應力云圖 對車門材料進行選用，用鎂合金作為車門外板，用鋁合金作為車門內板，通過solution查看優(yōu)化應力云圖，該車門的最大應力大小為532.29Mpa，在相對于鋁合金材料、鎂合金材料、結構鋼材料，此時的車門最大應力有很大的下降，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)化后的應力云圖 將U型防撞梁導入到有限元模擬仿真，該車門的最大應力為17.79 Mpa，與圓管型防撞梁相比較，通過比較分析，車門的最大應力下降了20.38 Mpa，如圖4.2所示。 圖4.2 U型形狀的應力云圖 4.1.2車門優(yōu)化位移云圖 對車門材料進行選用后，用鎂合金作為車門外板，用鋁合金作為車門內板，通過solution查看優(yōu)化位移云圖，車門受力后的位移向四周擴散，位移量為4.12mm，在相對于鋁合金材料、結構鋼材料，此時的位移量延伸了，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 對車門防撞梁進行優(yōu)化，采用U型結構的防撞梁進行模擬仿真，防撞梁的結構呈現形式，中間呈現凹槽梯形狀，所受到的力向外延伸。而且相比較圓管型結構，位移量減少了0.14 mm，說明U型結構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)化后的結果分析 在對車門結構進行優(yōu)化之后，通過使用有限元workbench進行分析，從而得到該車門的剛度分析結果，如表4.1所示。 表4.1 車門位移量的對比圖 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） 選用結構鋼的位移量（mm） 垂直剛度 4.12 3.88 6.10 1.38 扭轉剛度（上） 3.20 3.02 4.74 1.08 扭轉剛度（下） 2.74 2.59 4.06 0.92 內板剛度 0.91 0.86 1.35 0.30 通過車門位移量的對比圖可知，車門位移量的各項數據，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)化后車門各項數據的位移量明顯大于選用鋁合金和結構鋼的位移量，并且優(yōu)化后的車門，受到的最大應力為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力，另一方面也實現了車門的減重。 防撞梁的優(yōu)化設計應該是中間受力處向下凹陷，兩邊向上擴展，這樣在車門受到力時，首先防撞梁的兩邊受力，使得在吸收能量的時候起到一個緩沖的作用，而且可以減少防撞梁中間部位的變形。根據實際制造生產技術與一些其他因素，來確定防撞梁的結構呈現形式，中間結構位置呈現凹槽型形狀，主要是為了方便制造，而且與周圍的一些零件不會產生干涉的。 在受到側面碰撞力時，主要依靠頂棚橫梁、地板橫梁和防撞梁，來對車門結構進行支撐，防止側面受到的力侵入過大。而這些在側面碰撞時所受到的力都是彎曲變形，不像正面碰撞時，車身的結構可以軸向褶皺吸收更多的能量。所以為了增強側面碰撞過程時，車門結構的吸收能力，增強車么結構件的抗彎曲能力，希望在同等條件下，能夠吸收更多的能量。通過對車門材料的選擇及結構上的優(yōu)化，結合表4.1位移量的對比圖，說明車門的優(yōu)化是有效的，達到了將模型減重的目的。 4.3 車門碰撞的時序分析 車門在受到碰撞時，我們可以依據碰撞時刻數據圖來選取各個時刻點的變化情況，如選取0.2s,0.4s,0.6s,0.8s時刻的受力分析情況，如圖4.5、圖4.6、圖4.7、圖4.8所示。 圖4.5 時間為0.2s時刻碰撞的變形情況 圖4.6 時間為0.4s時刻碰撞的變形情況 圖4.7 時間為0.6s時刻碰撞的變形情況 圖4.8 時間為0.8s時刻碰撞的變形情況 如上圖顯示的是各個時刻的圖形變化情況，到了0.6s時刻，已經預示車門會發(fā)生很大的變形，當到了0.8s的時刻，車門已經出現變形。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)化后的車門最大應力比優(yōu)化前最大應力要小，說明選用鎂合金材料作為外板、選用鋁合金材料作為內板，此時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、選用鋁合金作為內板，并且采用U型結構的防撞梁，起到以下作用：第一，降低了最大應力，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，通過選用材料，減輕了車門的自重；第四，實現了將車門輕量化的目的。 5 總結 我國在石油的需求上很大，國內50%的石油都是進口的。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對交通工具的依賴，汽車的產值量都在增加，給人多帶來出行方便的同時，也帶來環(huán)保、安全、油耗三大問題。如何解決這些問題，國內也做出了很多先相關的法令法規(guī)和措施。所以輕量化的發(fā)展成為汽車工業(yè)的趨勢，而車門的輕量化設計更是一種潮流。 汽車在正面碰撞時，前部引擎蓋有很大空間的緩存區(qū)，而在側面碰撞時，并不像正面碰撞時可以吸收到碰撞能量[16]。由于側面車門結構離駕乘人員人員比較近，所以在發(fā)生碰撞時，會承受很大的傷害。所以車門防撞梁的作用就體現在這兒，在發(fā)生碰撞時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。通過比價，發(fā)現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量的前提下，對防撞梁的性能進行優(yōu)化分析，確保能夠提高車門的抗擊性。 通過對車門的研究分析，比較國內外對車門的研究分析，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.通過對國內外輕量化的研究現狀，歸納出當前車門輕量化的發(fā)展趨勢。 2.根據車門的結構，參考國內外的研究設計，建立微型轎車車門的三維模型。 3.將模型導入到有限元軟件，對其進行仿真分析，通過對車門受力情況，得出車門剛度分析的結果。 4.通過對車門內外板材料的選用，及其防撞梁的優(yōu)化，在保證車門剛度符合要求的情況下，對車門內外板材料的選用，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，進行有限元分析；二，還可以更加的偏向實際化，進行研究分析，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 [1] 霍孝波.基于新型板材的汽車車門輕量化優(yōu)化設計[D].大連理工大學. 2013（06） [2] 曾霽.基于輕量化的車門結構優(yōu)化[D].湖南大學. 2012(05) [3] 胡朝輝.面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究[D].湖南大學.2010（09） [4] 王偉.汽車車門輕量化及測面碰撞安全性能研究[D].重慶交通大學.2014（06） [5] 王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料[M].北京大學出版社.2009（09） [6] 張世東.淺析汽車前車門結構及要求[J].裝備制造技術.2013（07） [7] 丁鴻儒.某型乘用車車門設計與有限元仿真分析[D].沈陽工業(yè)大學.2015（03） [8] 許兆棠,劉永臣.汽車構造（下冊）.國防工業(yè)出版社[M].2012(08) [9] 楊志添.基于轎車B柱輕量化設計的耐撞性優(yōu)化分析[D].湖南大學. 2012(03) [10] 游國忠,陳曉東.汽車側面碰撞有限元仿真建模 [J].自然科學版.2005（11） [11] 王宏雁,徐少英.車門的輕量化設計[J].汽車工程.2004(08) [12] 王富強.微型轎車車門側面碰撞的仿真研究[D].武漢理工大學.2011（05） [13] 王新榮,陳永波.有限元法基礎及ANSYS應用[M].科學出版社.2008 [14] 智淑亞.汽車車身結構與設計[M].機械工業(yè)出版社.2014(09) [15] 張金換，杜匯良.汽車碰撞安全性設計[M].清華大學出版社.2010（02） [16] 雷正保，王素娟.汽車碰撞的安全與吸能[M].國防科技大學出版社.2008（09） [17] 譚繼錦,張代勝.汽車結構有限元分析[M].清華大學出版社.2009(11) 致 謝 實踐是檢驗真理的唯一標準，在論文完成之際，不斷去修改以及改善這篇論文，所以在這一方面花費了很多時間和心血。 在寫論文期間，我的導師給予我很大的幫助，每當我遇到難題時，導師都會采用拋磚引玉的方法對我指導，而且從論文的選題，到最后的定稿，都是導師默默的幫我檢查，并且提出自己的意見，在此表示我最真摯的謝意。同時在此也特別感謝我的同學們，總是在一旁給予我鼓勵，使得這篇論文能夠順利完成。