论文-基于Abaqus的某车型后车门抗凹分析及设计改进

基于Abaqus的某车型后车门抗凹性能分析及设计改进摘要:针对某车型后车门外板抗凹变形量过大问题，本文对该车门进行了模态及刚度分析，通过与先期试验模态对标，验证了有限元模型的准确性。基于三种改进方案仿真结果的对比分析，提出了后车门抗凹性能改善方向，为设计提供了参考。关键词:后车门抗凹分析改进设计1前言车门是整车重要的开启件和外观件，具有隔绝车外噪声，缓冲来自外部的冲击等舒适性和安全性功能，其设计结构直接影响整车的品质。车门在日常生活中使用频率比较高，受到的工况相对苛刻，其本身的模态及刚度必须满足使用要求。针对已投放市场的某款车型后车门抗凹变形量过大问题，通过试验测试，发现在施加100N法向外力的工况下，后门外板防撞梁下部区域加载点变形量有两点超过设计目标值，最大达到4.8mm，抗凹刚度偏弱，在关门时该结构也容易引起外板共振，产生振颤音，影响整车品质，必须对外板结构进行设计改进。本文通过自由模态仿真值与试验值对标，验证了本次分析后车门有限元模型的准确性，后续对设计所提供的三种改进方案进行了仿真分析对比，得出了各方案对后门外板刚度的改善效果，结合整车生产成本及工艺复杂程度，指出了三种改进方案中的最优方案，为提升后门抗凹性能提供了指导。2有限元模型建立根据乘用车整车建模方法，建立后车门有限元模型，包括车门外板、内板、窗框、防撞梁及铰链等结构，不包括车门内饰件、喇叭及线束等附属件。后车门有限元模型中，外板及内板等钣金件采用壳单元模拟，铰链和结构胶采用六面体实体单元模拟，各钣金件之间的连接关系采用ACM焊点单元模拟，建立完成后的车门有限元数模由31246个单元，31475个节点组成，赋予材料信息后，车门总重为15.5Kg，模态试验中车门重量为15.3Kg，两者基本一致。因该仿真分析结果直接应用于现生产，故需要验证所建立的后门有限元模型的准确性。后车门使用的材料及其属性，如表1所示。表1车门材料属性表材料弹性模量E（MPa）泊松比μ密度ρ（t/mm3）钢2.1e+50.37.9e-9粘胶50.451.2e-9其中，后车门外板采用D180材料，其材料的应力应变曲线如图1所示。图1材料应力应变曲线图所建立的后车门有限元模型如图2所示。图2后车门有限元模型对建立的该后门有限元模型进行自由模态分析，其前五阶模态频率如表2所示表2仿真自由模态计算结果单位（Hz）第一阶模态第二阶模态第三阶模态第四阶模态第五阶模态46.350.354.361.669.1后车门自由模态试验工况如图3所示。图3自由模态试验图其试验测试前五阶自由模态，如表3所示。表3后车门自由模态试验测量结果表单位（Hz）第一阶模态第二阶模态第三阶模态第四阶模态第五阶模态475152.663.571仿真值和试验值对标误差，如表4所示。表4自由模态仿真值和试验值对比单位（%）第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶误差1.5%1.3%3.1%3%1.3%平均值2.05%通过自由模态仿真分析值和试验值的对比，其两者误差的平均值为2.05%，得出所建立的有限元模型准确度较高，可用于后续改进方案的仿真分析。3后车门抗凹分析基于试验测试结果，本文首先对后门外板防撞梁下部区域进行抗凹刚度分析，抗凹点分别定为3-1点、3-2点、3-3点。压头直径为20mm，参照试验工况，在外板施加法向载荷100N，各点的指压变形云图如图4-图6所示。图43-1点变形量4.3mm图53-2点变形量4.58mm图73-3点变形量3.8mm通过上图可以看出，抗凹点3-1点、3-2点变形量过大，超过目标值，抗凹性能偏弱。4改进设计基于原方案仿真分析结果，提出以下三种改进方案：方案一：后门外板板厚增加0.1mm，料厚由0.7mm增加到0.8mm；方案二：后门外板指压刚度较弱处增加补强片，厚度为1.2mm，补强片位置如图8所示。补强片补强片图8方案二方案三：后门外板在原方案基础上，增加外板加强支架，如图9所示。支架2支架1支架2支架1图9方案三以下为三种方案的仿真分析结果：方案一：指压刚度分析图103-1点变形量3.25mm图113-2点变形量3.71mm图123-3点变形量3.5mm方案二：指压刚度分析图133-1点变形量2.75mm图143-2点变形量2.88mm图153-3点变形量3.53mm方案三：指压刚度分析图163-1点变形量2.63mm图173-2点变形量2.98mm图183-3点变形量3.36mm通过对比得出，方案二因外板补强片面积较大，其外板抗凹刚度同方案三相近，两者均优于原方案，方案一因外板仅增加0.1mm，其抗凹性能提升弱于方案二和方案三。5工艺及成本分析三种改进方案工艺及生产成本如表5所示表5工艺及生产成本对比表相对原方案增重（Kg）加工工艺生产成本方案一0.62冲压一般方案二0.2粘接较低方案三0.51冲压+粘接较高通过表5得出，因方案二补强片为玻璃纤维布等非金属材料，相对比其他两种方案，后车门重量增加最少，有利于实现整车轻量化，方案一和方案三车门重量增加相近，均高于方案二。因改进方案直接应用于已投放市场的现生产车型，故要求其工艺需简单，工序尽量减少，方案三需将加强板进行冲压和粘接，工艺较为复杂，生产成本较高，方案二仅需将补强片直接粘接于车门外板，工艺简单，满足现生产要求。6结论（1）本文运用CAE仿真分析工具，建立了后车门有限元模型，通过模态仿真值与试验测试值的对比，验证了分析模型的准确性。（2）结合试验测试结果和原方案仿真分析数据，得出后门外板防撞梁下部区域抗凹性能较弱，对设计提出的三种改进方案进行抗凹刚度分析，得出各方案对后门外板刚度提升的效果。（3）通过仿真分析值和工艺复杂程度的对比，得出方案二为最优方案，可有效提升后门抗凹质量。参考文献：[1]王钰栋，金磊，洪清泉等.Hypermesh&Hyperview应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2013.[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2010.[3]OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用洪清泉