汽车车门过开启有限元分析

摘要： 用Abaqus中的静力学分析功能，对某款车型前门进行过开启分析，得到此车门的过开角度和卸载后车门的残余角度以及车门和限位器的受力状况.同时，利用Abaqus中的MODEL CHANGE关键词，实现车门在过开启后，只有车门重新关闭而限位器保持不动的模拟，以此来考察车门能否关闭，从而更进一步评估传统的车门过开启分析方法.仿真结果表明：该车门过开性能满足设计目标，无破坏风险，且MODEL CHANGE关键词可以为模拟车门的关闭提供极大方便.

关键词： 静力学分析； 车门过开启； Abaqus

中图分类号： U463.834； TB115.1文献标志码： B

引言

车门作为汽车的重要组成部分，在其设计中应该具有如下要求.[1]

（1）具有必要的开度，并能使车门停在最大开度上，以保证上下车方便.

（2）安全可靠，车门能够锁住，行车或撞车时门不会自动打开.

（3）开关方便，玻璃升降方便.

（4）具有良好的密封性.

（5）具有足够的刚度，不宜变形下沉，行车时不振响.

（6）制造工艺性好，易于冲压并便于安装附件.

（7）外形上与整车协调.

车门在正常开启时，一般不会出现过度开启现象.车门过开启属于车门使用者的误操作，虽然很少出现这种情况，但是如果车门经过偶尔的过开启后性能变差，甚至无法关闭车门，那么会造成使用者对该车质量性能的担忧，降低使用者对品牌的忠信度，影响品牌形象，因而车门过开启分析仍然作为车门考察分析中的重要项目.

本文以某款车型的前门作为分析对象，利用Abaqus软件的静力学算法，在传统的车门过开启分析方法基础上，进一步考察车门在过度开启后能否实现车门的关闭，使得该分析的评价方法更加全面.同时，也可以在车门的设计阶段为设计人员提供参考依据.

1分析过程

1.1车门自重分析

车门自重始终要考虑，并且车门从过开启到重新关闭后的自重下沉量应保持不变，将得到的自重下沉量用于后期评估车门是否能够关闭.利用Abaqus软件中DLOAD关键字下的GRAV选项对车门和车身施加重力载荷，并作为车门过开启分析的第一个分析步.

1.2车门过开启分析

过开启分析是指当车门已经位于设计最大开启角度时，在车门锁点位置沿车门开启方向施加载荷，以强迫车门继续开启.此时车门靠铰链和限位器等部件限制车门继续开启，并保持静力平衡状态，因而可以使用Abaqus软件隐式求解器中的Static分析方法完成此问题.在过度开启工况中，主要考察车门的过开启角度及其受力状态，以评判车门过开性能和钣金件及限位器能否损坏.同时，也需要考察卸载后车门的残余变形量，即残余开启角度.

1.3车门重新关闭

车门在过度开启之后能否关闭也是重点关注的考察项，因而需要在同一个分析中模拟车门的关闭过程，并且只需要车门重新关闭，而限位器则保持在过开卸载工况结束时的位置.通过求得车门在初始关闭状态下锁点的z向坐标与过开后车门重新关闭时的锁点z向坐标之差，确定车门在过开启后最终的下沉量，从而判断车门能否关闭.为实现此过程，需要用到Abaqus软件中的MODEL CHANGE关键词.该关键词用于在分析中移除或重新激活单元或接触对；对于单元，此关键词可以以无应变或带应变的方式重新激活单元；对于接触，当某个接触对在分析中不需要时进行移除可以节省计算时间；此关键词只能用于通用分析步中.本文分析主要使用该关键词移除接触对的功能，即“*MODEL CHANGE， TYPE=CONTACT PAIR， REMOVE”来实现上述模拟.

2模型建立

2.1车门和限位器有限元模型

采用壳单元建立车门的有限元模型及实体单元.限位器有限元模型均处于车门开启到最大角度时的位置.车门与限位器的铰链均采用Connector单元中的Hinge类型来模拟，同时应保证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启和关闭.在车门锁点与车门铰链轴线之间建立垂直于车门铰链轴线的Slot类型Connector单元，该单元的作用是从位于车门铰链轴线上的参考节点（Slot单元的节点1）中读取过开角度和残余过开角度，并在此节点上施加强迫位移，实现车门关闭的模拟，见图1.

（a）整体过开启模型

（b）Slot单元

图 1车门和车身有限元模型

限位器压块上、下端与座板和滑块之间采用Tie接触连接.使用Contact Pair类型的接触方式在限位器滑块与拉板之间，缓冲块与座板之间以及铰链与车门和车身之间等多处进行接触设置，防止穿透，以保证分析的真实性.限位器有限元模型见图2.

图 2限位器有限元模型

2.2边界条件和分析步

分4个分析步，均采用Static分析方法.

第一个分析步为车门的自重工况.该分析步需要约束车身全部自由度（Slot单元节点1，包括参考节点上除绕车门铰链轴的旋转自由度和沿铰链轴线的平移自由度之外的自由度），车门锁点y向自由度以及约束限位器铰链轴上Hinge单元的绕限位器铰链轴的旋转自由度等，防止车门和限位器在重力载荷作用下出现绕各自转轴旋转而导致计算无法收敛.

第二个分析步为过开启加载工况，即在锁点位置沿车门开启方向施加500 N载荷，强迫车门继续开启.此分析步应移除对限位器转轴绕其轴线的旋转约束以及车门锁点的y向自由度，其他位置约束保持不变.

第三个分析步为过开启卸载工况，即移除加载在锁点位置上的载荷.

第四个分析步为车门重新关闭工况.此工况需在参考节点上施加强迫位移，使车门重新关闭，并且使限位器保持原位置不动.由于限位器与车门之间通过接触作用来实现车门的限位，所以此分析步需使用MODEL CHANGE关键词来移除这些接触定义.同时，约束限位器铰链轴绕其轴线的旋转自由度，防止因限位器出现刚体运动而计算不收敛.

另外，为提升该分析的收敛性能，每个分析步中还使用了CONTROLS关键字.

3分析结果评价

3.1过开性能评估

通过Abaqus中的Visualization后处理模块，得到车门在过开启加载工况下的旋转位移云图，见图3.从图3中可以得到参考节点上的旋转角度，即加载工况下车门的过开角度，将此值转换为角度值后与设计目标值进行对比，评判车门过开性能.计算得知，该车门的过开角度为5.4°.图 3过开加载工况下的旋转位移云图

用同样的方法，可以得到过开卸载工况下的残余过开角度为2.4°，见图4.

图 4过开卸载工况下的旋转位移云图

3.2车门和限位器受力评估

车门及限位器在加载时所受应力见图5.可以看出，车门所受最大应力位于车门限位器安装孔附近，其应力值为327.3 MPa，小于此零件所用材料的最大抗拉应力，无破坏风险.

图 5车门应力云图

限位器拉杆应力云图见图6.限位器最大应力位于限位器拉杆上，其最大应力值为300 MPa，小于此零件所用材料的最大抗拉应力，其他位置所受应力均满足要求，亦无破坏风险.

图 6限位器拉杆应力云图

3.3车门关闭情况评估

从第四个分析步中可以得到车门在重新关闭后的最终位置，此时测得锁点的z向坐标为447.234，见图7.

图 7参考节点在车门重新关闭工况下的z向坐标值

由于车门过开启后存在残余过开启角度，因而此时的位置实际上是车门开启到残余过开启角度时的状态，即车门开启2.4°时的状态.将原模型中的车门调整到开启2.4°的位置可以得到初始状态下的锁点z向坐标为448.694，那么该车门经过过开启后最终的下沉量为1.46 mm，此值小于车门设计员提供的许用下沉量，可以关闭车门.

4结论

利用Abaqus软件隐式算法求解器中的静力学分析，在一个分析中实现车门过开启分析并考察车门过开后能否关闭，对车门的过开启进行更全面的评估.通过分析得到以下结论。

（1）该车门在500 N载荷作用下，其过开角度和卸载后的残余过开角度均满足设计目标要求.同时，车门及限位器最大应力分别出现在限位器车门安装点和限位器拉杆位置，虽然产生一定的塑性变形，但无破环风险.

（2）过开启之后车门回到关闭位置时，其最终下沉量为1.46 mm，满足车门内板下沿到白车身门槛之间的距离要求，车门可以正常关闭.

（3）利用MODEL CHANGE关键词中移除接触对的功能，能够方便地移除车门与限位器之间的相互作用关系，使这两部分完全独立，从而实现只有车门关闭而限位器保持不动的模拟，为分析的顺利进行提供极大的帮助.

参考文献：

[1]黄天泽， 黄金陵. 汽车车身结构与设计[M]. 北京： 清华大学出版社， 1989： 191192

（编辑武晓英）