汽車車門有限元分析設(shè)計

汽車車門有限元分析設(shè)計,汽車,車門,有限元分析,設(shè)計 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 汽車車門有限元分析 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目 錄 1緒論 1 1.1 本課題的研究背景及其意義 1 1.2 課題研究現(xiàn)狀及趨勢 1 1.3課題研究內(nèi)容 2 2 有限元法分析理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 3 2.1 有限元基本理論概述 3 2.2 有限元分析軟件ANSYS簡介 3 3 PROE軟件的介紹及車門建模過程 5 3.1 PROE軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡介 5 3.2使用PROE軟件建立車門模型 5 4 基于ANSYS的車門有限元分析 9 4.1車門模型的扭轉(zhuǎn)剛分析 10 4.2車門模型的表面剛度分析 17 4.3車門模型的下沉剛度分析 22 5 結(jié)論與展望 27 參考文獻 28 致謝 29 汽車車門有限元分析 摘要 課題介紹了一套對車門進行有限元分析的解決方案。其中，主要介紹了轎車車門的靜力學分析，包括：扭轉(zhuǎn)剛度分析、表面剛度分析和下沉剛度分析。首先介紹了現(xiàn)代轎車前車門普遍采用的結(jié)構(gòu)和車門門體的結(jié)構(gòu)簡化方法；然后描述了在PROE中的建模過程；最后對車門模型進行了三項靜力學分析，從而得出能夠檢驗該簡化車門的結(jié)果和數(shù)據(jù)，來檢驗其結(jié)構(gòu)是否合理可靠以及是否滿足三個靜態(tài)剛度的要求，從而使車門結(jié)構(gòu)和設(shè)計更加合乎實際。 關(guān)鍵詞：車門；有限元；靜力；剛度；分析；PROE Abstract Finite Element Analysis of A Car Door Based on ANSYS Abstract This paper suggests a solution of the FEA of a car door assembly.It mainly presents several static analyses of a car door using finite element methed.The analyses include: Anti-droop Stiffness Analysis,Anti-rotation Stiffness Analysis and Surface Stiffness Analysis. First,it describes the widely-used structure of a front door of a car and the method to simplify it.Then,it suggests the steps to build a model in PROE.Finally,three static analyses are conducted,from which phenomena and data are obtained.The rationality and stability of the simplified model are tested though the analyses.So it can provide methods and references of the optimization of a car door structure. Keywords:Car door;Finite element;Static;Analysis;PROE III 第1 章 緒論 1緒論 1.1 本課題的研究背景及其意義 本文研究的目標在于探索出一套對車門裝配體進行有限元分析的解決方案。文中，首先簡要介紹了現(xiàn)代轎車前車門普遍采用的結(jié)構(gòu)和車門門體的結(jié)構(gòu)簡化方法；然后描述了在PROE中的建模過程；最后對車門模型進行了三項靜力學分析，從而得出能夠檢驗該簡化車門的結(jié)果和數(shù)據(jù)，來檢驗其結(jié)構(gòu)是否合理可靠以及是否滿足三個靜態(tài)剛度的要求，從而使車門結(jié)構(gòu)和設(shè)計更加合乎實際，更安全。 現(xiàn)在，主流的做法是在其它軟件中建好車門簡化模型，再將模型導(dǎo)入ANSYS中進行分析，這樣做的優(yōu)點是建模速度快，本文嘗試在PROE中建立簡化模型并導(dǎo)入ANSYS進行分析，獲得了成功。 1.2 課題研究現(xiàn)狀及趨勢 目前，用FEA對車門進行靜力學分析的項目主要有： (1)在扭矩作用下，進行車門扭轉(zhuǎn)剛度分析，得出車門的變形情況是否合理。 (2)在力的作用下，進行表面剛度分析，了解外板的抗壓能力是否足夠。 (3)模擬一定場合下的碰撞，在較大靜載荷作用下，從車門的變形特性圖來判斷車門的變形對乘員的生存空間有沒有構(gòu)成威脅。 以上所有分析的項目確定了能夠檢驗該簡化車門的結(jié)果和數(shù)據(jù)，來檢驗其結(jié)構(gòu)是否合理可靠以及是否滿足靜態(tài)剛度的要求，從而使車門結(jié)構(gòu)和設(shè)計更加合乎實際情況。 在我國的車身設(shè)計行業(yè)中，一般都是先應(yīng)用計算機進行車身結(jié)構(gòu)建模，再導(dǎo)入分析軟件中分析，以便對車身的強度、應(yīng)變、剛度、振動等問題進行分析。雖然我國的汽車行業(yè)在不斷進步，但是在車門剛度方面的研究項目幾乎為零，國內(nèi)主要考慮的是如何將車門上的部件布置合理的問題。在CAE技術(shù)經(jīng)過不斷地完善發(fā)展之后，用這種方法來研究車門的剛度問題變得越來越受歡迎。話說回來，CAE分析只是仿照車門的實際工作情況進行模擬，有許多不能完全符合實際工作情況的邊界條件被設(shè)置為趨于合理，只有最后通過實際車門的實際工況表現(xiàn)來檢驗分析結(jié)果是不是正確。但國內(nèi)驗證車門剛度的手法和經(jīng)驗嚴重不足，而且關(guān)于這方面的資料少之又少，再加上沒有先進的實驗裝備，大多數(shù)的實驗只是基于CAE計算分析結(jié)果給出結(jié)論，并沒有進行車門剛度實際工況的測試檢驗，所以說得出的結(jié)論和實際情況還是有很大偏差的。 在國外對車門進行開發(fā)的時候，國外不像國內(nèi)一樣只是對車門的的結(jié)構(gòu)應(yīng)用計算機進行分析直接得出結(jié)論，而是通過添加一定試驗載荷來驗證車門剛度是否合理。用CAE對車門的剛度進行的分析是在汽車車身部件開發(fā)的時候，在嘗試制作的部件沒有完成之前采用的方法，等到了后面的DV和PV階段才能對車門剛度做實際工況下的實驗。這兩方面共同參考分析，最終以實驗數(shù)據(jù)為標準來判斷車門剛度。 1.3課題研究內(nèi)容 本課題研究了一套在有限元軟件中分析車門三個剛度的方法，并得出了自己的結(jié)論，針對結(jié)論給出了一些優(yōu)化建議。首先是確認好車門的結(jié)構(gòu)，然后在Proe中繪制出車門的簡化模型，導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用有限元分析方法分析了扭轉(zhuǎn)剛度、表面剛度和下沉剛度三個剛度，最后取得了成果。 4 第2章 有限元分析理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 2 有限元法分析理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 2.1 有限元基本理論概述 有限元法是解決工程實際問題的一種有力的數(shù)據(jù)計算工具，是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值算法。 有限元分析方法是目前CAE工程分析系統(tǒng)中使用的最多的，它具有很強的計算分析的性能作用，在眾多的行業(yè)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。 在實際問題求解當中，由于其材料特性、幾何形狀和外部載荷的不規(guī)則性，使得解析很困難，但是建立基本方程和邊界條件還是比較容易的。所以，找到一種近似求解的方法成為了一時之需。在經(jīng)過科學家們一代一代的辛苦付出之后，找出了很多種近似求解的方法，在這些方法里常用的是有限元法和差分法。 有限元法由于單元分割的節(jié)點的形狀和大小可以由我們來控制其形成，所以無論什么樣的形狀、何種材料和任何繁復(fù)的邊界條件，這種方法都能用。另外，一些大型的軟件可以支持這種有限元法，它已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，是一種實用而又多元化的數(shù)值計算方法。 差分法將求解區(qū)域差分為許多網(wǎng)格，這些網(wǎng)格上點的近似值可以由基本方程給出。但是差分法這種方法并不像有限元法一樣適用于任何形狀、材料、和邊界條件。 以前飛機構(gòu)造里面的應(yīng)力是應(yīng)用有限元這種方法來分析求解的，它是一種多種理論特性結(jié)合的數(shù)值分析技術(shù)。現(xiàn)在這一方法的實用高效的性能明顯體現(xiàn)出來，在很多行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為了一種通用的方法。目前，它的應(yīng)用已經(jīng)更多的出現(xiàn)在許多學科交匯的領(lǐng)域和一些實際的現(xiàn)實工程中。 2.2 有限元分析軟件ANSYS簡介 ANSYS 軟件開發(fā)了與著名軟件Proe（例如CAD、UniGraphics、IDEAS和Bentley等）直接對接的端口，能夠允許雙向的數(shù)據(jù)進行交換，從而提高了工程師解決問題的效率，降低了他們的工作量。用戶可以在PROE或者CAD軟件中對零部件設(shè)計完之后，能很輕松的將建好的零部件圖形導(dǎo)入到有限元軟件中，對其進行合理的網(wǎng)格劃分，最后經(jīng)過一系列的分析計算得出結(jié)論，能夠及時更改設(shè)計中的不足，提高工作效率。 有限元分析方法求解問題主要包括三個部分：有限元法近似求解、計算結(jié)果的后處理、分析對象的離散化三部分。網(wǎng)格經(jīng)過離散之后，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接影響到求解問題需要多長時間及結(jié)果是否正確。分割成的六面體網(wǎng)格往往可以得到更加有效真實的模型結(jié)果，另外，在許多工程問題求解過程中，如果模型它的單元變形較大，一定要對它重新劃分好網(wǎng)格再分析進行。ANSYS對體單元處理能力的非常強大，它的網(wǎng)格劃分有自動適應(yīng)的技術(shù)，這一優(yōu)勢使其在實際科研工作當中得到廣泛的使用，很受用戶歡迎。 在科學技術(shù)飛快發(fā)展的今天，對各行各業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計進行線性分析并求解，這一理論已經(jīng)不能提供更好的實用效果，這時候進行非線性分析求解變得非常重要。 有限元分析方法一開始是為了解決航天問題，它對線性求解問題有著很好的效果，這一種數(shù)值分析方法長期以來也得到了有效的證明。如果我們可以把離散求解對象的單元格分割的在一定小的范圍內(nèi)，最后所得到的這個解就會無限趨近真實的數(shù)值，這一點在理論上已經(jīng)得到證明?，F(xiàn)在求解結(jié)構(gòu)線性問題的發(fā)展方向是流體動力、結(jié)構(gòu)非線性和耦合場問題的求解，并且求解這一問題的有限元方法和軟件已經(jīng)成熟。 ANSYS投入了大量的資金來增多軟件的功能，提高它的易用性，這些都是為了使廣大用戶的需求得到很好的滿足，但是每個使用者的想法和要求都是不一樣的，所以不管他們付出多大的努力也不可能使所有使用者的想法和要求得到極大的滿足，這時候給使用者提供一個開放的環(huán)境是一定要有的，使用者可以自己根據(jù)自己的實際情況擴充軟件。有限元軟件的二次開發(fā)環(huán)境能夠為不同的使用者提供滿意的服務(wù)。 工程師們能夠在ANSYS軟件中建立任何種類、難易不同的模型，還可以將模型在自己設(shè)想的情形下進行模擬分析，這樣就可以把設(shè)計做的更好，使評估設(shè)計的合理性更有效，使現(xiàn)實檢驗的投資資金大大減少，把整個產(chǎn)品的設(shè)計時間減少，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)速度和經(jīng)濟效益。 第3 章 PROE軟件的介紹及車門建模過程 3 PROE軟件的介紹及車門建模過程 3.1 PROE軟件的發(fā)展及應(yīng)用簡介 Proe繪圖軟件是PTC旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。2010年10月29日，PTC?公司宣布，推出Croe?設(shè)計軟件。也就是說Pro/E正式更名為Croe。 Proe是軟件包而不是一個模塊，它的功能可以對參數(shù)進行定義，對實體零件和組裝造型進行三維上色，模型實體或者線框，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視角的展示(三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn))。Proe可以通過不同的設(shè)計功能來實現(xiàn)造型的造型，也可以說是一個具有定義功能的系統(tǒng)，其中包括:筋、凹槽、倒角和外殼等，工程師們應(yīng)用這種軟件建模更直觀逼真，不需要多么復(fù)雜的過程。 Proe軟件的兼容性能都是向下不向上兼容的，舊的版本是不能打開新的版本的，但是新的版本就能夠直接打開舊的版本里面的文件。 3.2使用PROE軟件建立車門模型 各種制圖軟件在現(xiàn)代汽車行業(yè)已經(jīng)得到廣泛使用，各種主流軟件種類繁多，Pro/E就是一個典型的例子。Pro/E是把理想變成現(xiàn)實的杰出工具，現(xiàn)在汽車以及汽車零部件的設(shè)計已經(jīng)越來越離不開它。同時，設(shè)計師可以將設(shè)計好的模型放入Pro/E軟件中進行運動仿真，來更加直觀的感受所設(shè)計得零件的工作狀態(tài)。通過Pro/E設(shè)計出來的參數(shù)化的圖也能夠非常方便的導(dǎo)入帶其他的3D軟件中，能夠方便的進行如受力分析（導(dǎo)入到ANSYS中）等其他方面的研究，對現(xiàn)代設(shè)計研究工作起著越來越重要的作用。 3.2.1車門結(jié)構(gòu)及其簡化模型 1研究對象 本文的研究對象是現(xiàn)代轎車普遍采用的整體式車門，前門門體。簡化的車門模型是一種假設(shè)，對這一假設(shè)進行基于ANSYS的有限元分析，從而得一些現(xiàn)象和結(jié)論，來判斷簡化車門的設(shè)計是否可靠、合理以及是否具有良好的性能，使車門結(jié)構(gòu)設(shè)計更加優(yōu)化，更加實用。 2簡化原則和步驟 原則： (1)將建立簡化模型的復(fù)雜程度盡量減小； (2)不能使模型的結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生改變。 步驟： （1）把對機構(gòu)剛度影響不大的部件去除，減少的重量用施加的力補上。 （2）簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 3車門結(jié)構(gòu)及其簡化模型（著重介紹與研究內(nèi)容有關(guān)的結(jié)構(gòu)） 車門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成：門體、車門附件和車門內(nèi)飾件。 門體包括：內(nèi)板、外板、抗側(cè)撞梁、門框等。 這里由于門框?qū)ξ覀兯芯績?nèi)容沒有多大影響，所以略去簡化描述。 車門的簡化模型的建立 (1)車門外板的建立 作用和要求：外形和制造的表面質(zhì)量必須符合車身造型的要求；輕量化和側(cè)面碰撞安全性又要求車門外板應(yīng)具有足夠的強度。 材料和制造：由厚度為0.65～0.85mm的薄鋼板沖壓成形。 簡化：采用厚度為2mm碳鋼板。 草繪出車門平面幾何尺寸→創(chuàng)基面→拉伸形成車門體模型去除窗戶等材料→倒圓角→裝配→染色。畫好之后的模型如圖3-1所示。 圖3-1車門外板 (2)車門內(nèi)板的建立 作用和要求：內(nèi)板幾乎是所有車門附件的安裝體，是車門的重要支撐板件。為了保證車門附件安裝位置的精度要求和車門周邊的密封間隙要求，車門內(nèi)板應(yīng)具有足夠的剛度。 材料和制造：一般采用0.7～0.85mm的薄鋼板拉深成形。內(nèi)板周邊需沖壓出凸邊、加強肋或使用加強板焊于母板上。 車門簡化如下： 內(nèi)板J平面上需沖壓出各種形狀的凸臺、窩穴、手孔和安裝孔等。較大的孔一般會安裝上其他裝置，剛度并沒有因為開孔降低很多，所以這里，直接將孔除去，為了加強J面的剛度，做了一個內(nèi)凹。 采用厚度為1mm碳鋼板。簡化后的內(nèi)板如圖3-2所示。 圖3-2車門內(nèi)板 (3)防撞梁 作用和要求：現(xiàn)代轎車對于抗側(cè)撞性能的要求。 材料和制造：可以是圓管，也可以是高剛度鋼板沖壓成形的異型截面梁，截面厚度在33～36mm。兩端通過鏈接件焊接在門內(nèi)板上。 簡化： 采用厚度為2mm的碳鋼板沖壓而成，采用異型截面，焊接在內(nèi)板上，。 防撞梁的建立更為簡單，只需草繪出截面形狀進行拉伸即可。繪制好的防撞梁如圖3-3所示。 圖3-3 防撞梁 (4)裝配 1、主要裝配約束 （1）匹配（Mate）約束； （2）對齊（Align）約束可以使兩條軸線位于同一軸上，或者使兩個點重合等特點； （3）插入（Insert）約束。 2、裝配模型的一般創(chuàng)建過程 （1）新建裝配文件 選擇新建文件→單擊類型中組件按鈕→缺省。 （2）裝配第一個零件 選擇下拉菜單插入→元件原件→裝配裝配命令。完成第一個零件的導(dǎo)入。 （3）裝配第二個零件 ①引入第二個零件同上一步引入要裝配的第二個零件。 ②放置第二個零件前的準備。 裝配好的車門簡化模型如圖3-4所示。 圖3-4 車門簡化模型 26 第4章 基于ANSYS的車門有限元分析 4 基于ANSYS的車門有限元分析 我們所說的剛度是用施加的載荷和承受這個載荷之后該物體發(fā)生的變形量之間的關(guān)系來衡量的。如果在同等的載荷下，物體發(fā)生的變形量較大的話說明剛度較差，相反，則說明剛度較好。 車門自身的剛度是作為車身剛度的一種存在，車門的剛度是指車門在常年的使用中其在承受不同的工況載荷下抵抗變形的能力，是用車門所承受的載荷的大小和承受該載荷后車門的變形量之間的關(guān)系來判斷的。 這里講的車門靜剛度是指車門在收到靜態(tài)的載荷作用下抵抗變形的一種能力。按照車門所承受的靜態(tài)載荷的不同，可以分為以下幾個剛度。 （1）車門下沉剛度 將車門打開之后，車門在自然重力下表現(xiàn)出來的抵抗下沉變形的能力。 （2）車門扭轉(zhuǎn)剛度 將車門打開之后，車門在承受一定的扭矩載荷作用下抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。 （3）車門表面靜剛度 汽車車門的外板、發(fā)動機的罩蓋等部件的表面是平整的，這些表面的剛度必須要合理。車門外板的軟感由載荷和變形曲線的斜度來判斷，鼓癟感是以曲線平移的時候載荷和變形量的關(guān)系來評判的。 （4）車門側(cè)向剛度 車門關(guān)上之后，將帶車門鉸鏈的車門放到試驗臺上，找一物件固定車門的另一端，然后在車門鎖側(cè)車門的上部給與以側(cè)向的力，測量受力的地方沿著載荷方向的變形，這個時候車門的側(cè)向剛度可以用系統(tǒng)承受側(cè)向的載荷時抵抗變形的能力來衡量。 前面我們知道剛度是由載荷與變形之間的關(guān)系確定的，要是車門沒有足夠的剛度，在其受到載荷沖擊時產(chǎn)生的變形會很大。如果說車輛突然的碰撞，沒有足夠剛度的車門會產(chǎn)生較大的變形，對駕乘人員的生存空間很不利，除此之外，如果車門沒有具有足夠的剛度的話會導(dǎo)致車門出現(xiàn)下沉，導(dǎo)致諸多部件功能受損，比如車門鎖、升降器等，車門鎖鎖不上和升降器功能失效，這些對乘員的安全都會造成極大的危害。 車門剛度不足的話會使車門出現(xiàn)下降，使汽車的密封性能受到不好的影響，無論是水密封不好出現(xiàn)的車門進水，還是氣密封不好出現(xiàn)的車門漏風，都會大大降低汽車的保溫和隔熱的性能，從而影響汽車乘坐的舒適性。另一方面，車門如果不具有足夠的剛度，會產(chǎn)生各種噪聲，這些噪聲都將對汽車的乘坐舒適性造成很大影響。 剛度性能是通過載荷與變形的關(guān)系來確定的，由于車門是由很多塊薄的板沖壓焊接成型的，它擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和很大的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)殼體又是密封的，受力的話會產(chǎn)生變形。那么車門的剛度不僅與它的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與這個車門選用的材料有關(guān)。車門零件沒有足夠的穩(wěn)定尺寸，加上復(fù)雜的裝備過程以及在焊接的時候出現(xiàn)的錯位等都會對車門剛度造成影響，因此說，車門的結(jié)構(gòu)、選用的材料、制造的工藝過程、車門的重量等都對車門剛度有影響。 將在Proe中建好的三維簡化模型導(dǎo)入到ANSYS軟件進行仿真分析。 4.1車門模型的扭轉(zhuǎn)剛分析 4.1.1實驗描述 雖然，添加重力影響更加符合現(xiàn)實情形，但是，在這個分析中，為了得到車門完全因為扭力而發(fā)生的變形，將重力因素除去了。這里的變形將完全由扭力引起，可以反映車門抵抗扭矩的能力。 在原有模型的基礎(chǔ)上，刪除上下鉸鏈體，并重新劃分網(wǎng)格，單元數(shù)：410733，節(jié)點數(shù)：139084。 在門體上連接鉸鏈的面上施加約束D1，全部約束，如圖4-1 C處所示。 在A和B處施加一對大小相等、方向相反的力F1和F2，以模擬扭轉(zhuǎn)情形，如圖4-1～圖4-3所示。 做6個實驗，分兩種扭轉(zhuǎn)方向，順時針扭轉(zhuǎn)（實驗4-1～實驗4-3）和逆時針扭轉(zhuǎn)（實驗4-4～實驗4-6），分別如圖4-2和圖4-3所示。其中，每一類實驗中F1和F2的值逐步增大，觀察變形情況。 圖4-1 模擬扭轉(zhuǎn) 圖4-2 順時針扭轉(zhuǎn) 圖4-3逆時針扭轉(zhuǎn) 4.1.2實驗參數(shù) 實驗參數(shù)見表4-1～表4-6。(以下圖表中單位均為KN，+號代表順時針方向，—號代表逆時針方向) 表4-1 實驗4-1參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 -5×9.8 F2 5×9.8 表4-2 實驗4-2參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 -10×9.8 F2 10×9.8 表4-3 實驗4-3參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 -20×9.8 F2 20×9.8 表4-4 實驗4-4參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 5×9.8 F2 -5×9.8 表4-5 實驗4-5參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 10×9.8 F2 -10×9.8 表4-6 實驗4-6參數(shù) 約束載荷 數(shù)值 F1 20×9.8 F2 -20×9.8 4.1.3實驗結(jié)果 點擊General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，在接下來的對話框中選擇“def + undef edge”（或者使用“pldisp,2”命令）來顯示帶原模型輪廓線的變形圖。圖4-4～圖4-6反映的是順時針扭轉(zhuǎn)的車門變形。圖4-7～圖4-9反映的是逆時針扭轉(zhuǎn)的車門變形。 點擊General Postproc>List Results>Nodal Solution，在接下來的對話框中選擇“Displacement vector sum”（或者使用“prnsol,u,comp”命令）列表顯示所有節(jié)點的位移量，查得A和B所在位置的節(jié)點號，然后在列表中查得A和B的位移量。表4-7～表4-12列出了6個實驗中，A和B的位移。 圖4-4 整體視圖 圖4-5 A處放大圖 圖4-6 B處放大圖 表4-7實驗4-1中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A -0.25476E-03 -0.54564E-04 0.18815E-05 0.26054E-03 B 0.56081E-04 -0.10567E-04 -0.12688E-05 0.57082E-04 表4-8實驗4-2中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A -0.50951E-03 -0.10913E-03 0.37630E-05 0.52108E-03 B 0.11216E-03 -0.21134E-04 -0.25376E-05 0.11416E-03 表4-9實驗4-3中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A -0.10190E-02 -0.21826E-03 0.75259E-05 0.10422E-02 B 0.22433E-03 -0.42268E-04 -0.50752E-05 0.22833E-03 圖4-7整體視圖 圖4-8 A處放大圖 圖4-9 B處放大圖 表4-10實驗4-4中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A 0.25476E-03 0.54564E-04 -0.18815E-05 0.26054E-03 B -0.56081E-04 0.10567E-04 0.12688E-05 0.57082E-04 表4-11實驗4-5中A1和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A 0.50951E-03 0.10913E-03 -0.37630E-05 0.52108E-03 B -0.11216E-03 0.21134E-04 0.25376E-05 0.11416E-03 表4-12實驗4-6中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A 0.10190E-02 0.21826E-03 -0.75259E-05 0.10422E-02 B -0.22433E-03 0.42268E-04 0.50752E-05 0.22833E-03 4.1.4結(jié)果分析 將順時針實驗和逆時針實驗的結(jié)果數(shù)據(jù)（表4-7～表4-12）進行對比，可以發(fā)現(xiàn)此車門模型抵抗逆時針扭轉(zhuǎn)的能力與抵抗順時針扭轉(zhuǎn)能力完全相同，這也與事實相符。 從順時針實驗的3個實驗來看，A和B的橫向位移都在2mm以內(nèi)（見表4-7～表4-9），抗扭轉(zhuǎn)的性能較好。 4.1.5優(yōu)化方案 該車門模型的抗扭轉(zhuǎn)性能較好，這里不再給出優(yōu)化方案。 4.2車門模型的表面剛度分析 4.2.1實驗描述 當用手觸壓車門外板時，如果較小的力也會產(chǎn)生撓曲，給人以柔軟感和鼓癟感，會讓人感覺車的品質(zhì)較差；而相反地，如果表面剛度較好，在手的觸壓下，變形較小，則會讓人感覺車的品質(zhì)較好。在本實驗中，車門外板中心位置承受壓力，導(dǎo)致外板變形，從而了解外板的變形量是否在允許的范圍內(nèi)。 在外板上分割出一個直徑為d的圓形面如圖4-10所示，用以施加壓力，然后重新劃分網(wǎng)格。劃分單元后的模型如圖4-11所示，其中，單元數(shù)：398347；節(jié)點數(shù)：134880。 圖4-10 分割圓形截面 圖4-11 劃分單元模型 在外板輪廓邊緣的四個面上添加四個約束D2、D3、D4、D5，x方向約束，如圖4-12所示。 在車門腔體的底面上施加約束D1，y方向約束，用以限制y方向上的位移，如圖4-13所示。 在小圓面上施加的壓力載荷P如圖4-14所示。 圖4-12 x方向約束 圖4-13 y方向約束 圖4-14 施加壓力載荷p 4.2.2實驗參數(shù) 實驗參數(shù)見表4-13。 表4-13 實驗4-7參數(shù) d 0.04 D2,D3,D4,D5 ux ,D1 uy D6 uz P 40*9.8/(3.14*0.02*0.02) 4.2.3實驗結(jié)果 1變形特性 點擊Genral Postproc>Plot Results>Deformd Shape，在接下來的對話框中選擇“def + undef edge”（或者使用“pldisp,2”命令）來顯示帶原模型輪廓線的變形圖（如圖4-15所示）。 圖4-15 車門外側(cè)視圖 點擊Genral Postproc>List Results>Nodl Solution，在接下來的對話框中選擇“X- Component of displacement”（或者使用“prnsol,u,x”命令）列表顯示所有節(jié)點x方向上的位移量，查得x方向上的最大位移量為-0.65985E-04，即0.065985mm。 點擊Genral Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodl Solu，在接下來的對話框中選擇“X-Component of displacement”（或者使用“plnsol,u,x”命令）來顯示x方向位移分布圖（見圖4-16）。注意：數(shù)值越小則向內(nèi)的位移越大，因為向內(nèi)的位移為負值。 圖4-16 x方向位移分布圖 2應(yīng)力分布 點擊General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，在接下來的對話框中選擇“von mises stress”（或者使用“plnsol,s,eqv”命令）來顯示馮·米塞斯應(yīng)力分布圖（如圖4-17所示）。 圖4-17 應(yīng)力分布 4.2.4結(jié)果分析 在壓力P的作用下，x方向上的最大位移量為-0.65985E-04，（負號代表位移方向是偏向車門內(nèi)側(cè)的。）即0.065985mm，小于1mm，證明車門外板的表面剛度較好。 4.2.5、優(yōu)化方案 該車門外板的表面剛度較好，這里不再給出優(yōu)化方案。 4.3車門模型的下沉剛度分析 4.3.1實驗描述 車門最后端的兩個頂點A和B在下沉中有較大的位移，對下沉剛度的情況有較好的反饋，所以選取這兩個點作為參考對象。 車門最后端上頂點A，車門最后端下頂點B，如圖4-1中所示。 實驗描述 實驗4-8對車門下沉情況的分析是在自然重力作用下進行的。 將車門打開α角度。 在上、下鉸鏈上連接車身的面上添加四個約束D2、D3、D4、D5，全部約束，如圖4-18所示。 圖4-18 施加全部約束 為了補充車門其他附件的重量，在內(nèi)板腔室底部施加一定壓力P，如圖4-19所示。 圖4-19 內(nèi)板底部施加壓力 4.3.2實驗參數(shù) 實驗參數(shù)見表4-14（車門最大開度為65度至70度之間。） 表4-14 實驗4-8參數(shù) α 66 D2、D3、D4、D5 all P 10×9.8/0.0907 a 9.8 4.3.3實驗結(jié)果 1變形特性 點擊Genral Postproc>Plot Results>Deformd Shape，在接下來的對話框中選擇“def + undef edge”（或者使用“pldisp,2”命令）來顯示帶原模型輪廓線的變形圖。具體圖片不再給出。 為了了解車門下沉情況，我們考察A和B的位移量。點擊Genral Postproc>List Results>Nodl Solution，在接下來顯示的對話框中選擇“Displacment vector sum”（或者使用“prnsol,u,comp”命令）在列表中顯示所有節(jié)點的位移量，查得A和B所在位置的節(jié)點號，然后在列表中查得A和B的位移量（見表4-15）。其中車門下沉用y方向位移表示，車門橫向的變形用x方向和z方向的位移表示，總位移反映總體變形情況。 表4-15 實驗4-8中A和B的位移量 部位 x方向位移 y方向位移 z方向位移 總位移 A -0.10419E-01 -0.11482E-01 -0.78767E-02 0.17387E-01 B 0.43187E-02 -0.82145E-02 0.28253E-02 0.97162E-02 點擊Genral Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，在接下來的對話框中選擇“Y-Component of displacement”（或者使用“plnsol,u,y”命令）來顯示Y方向位移分布圖（見圖4-20）， 圖4-20 y方向位移分布圖 2應(yīng)力分布 點擊Genral Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodl Solu，在接下來的對話框中選擇“von mises stress”（或者使用“plnsol,s,eqv”命令）來顯示馮·米塞斯應(yīng)力分布圖。車門整體和各零件的應(yīng)力分布如圖4-21～4-23所示。門體的位移對比如圖4-24和4-25所示。 圖4-21 門體應(yīng)力分布圖 圖4-22上鉸鏈應(yīng)力分布圖 圖4-23 下鉸鏈應(yīng)力分布圖 圖4-24 位移對比圖 圖4-25 位移對比圖 4.3.4結(jié)果分析 實驗4-8中，A和B的下沉分別為1.1472cm和0.82245cm（見表4-15），這表明此車門模型的下沉剛度較差，因為對于車門的下沉要求一般是小于2mm。 由y方向位移分布圖看出，在車門的模型中，上鉸鏈和下鉸鏈以及鉸鏈和車門鏈接的地方承受了很大的力，其他部位受到的力產(chǎn)生的變形較小，又由變形特性圖可以看出鉸鏈的變形程度較大。這表明，在載荷作用下，鉸鏈自身及其與車門的連接部位發(fā)生變形是導(dǎo)致車門下垂的主要原因。 4.3.5針對上述實驗結(jié)果給出優(yōu)化方案 (1)提高與車門鏈接的鉸鏈鑄件強度來減少自身變形。 (2)可以將鉸鏈加強板的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化來增加車門連接部位的防變形能力。 (3)在鉸鏈合頁往車身上焊接的時候，可以將合頁提高一定的高度，能夠有效減小車門的自然下沉。 　　　　　　　　　 　　　　　參考文獻 5 結(jié)論與展望 (1)本文成功的對車門模型進行了簡化，事先規(guī)劃好了內(nèi)容步驟和簡化的原則，按著這個思路進行，既使車門模型沒有了那么復(fù)雜的組成，又沒有引起車門剛度的變化，整個過程對車門的簡化都是合理的。但是，本課題的車門簡化方法僅適用于本課題特定的研究內(nèi)容和情況，對車門的簡化方法不能一概而論，要具體問題具體分析。 (2)本文成功地對車門扭轉(zhuǎn)剛度進行了分析。這一分析中，證明了此車門模型具有較好的扭轉(zhuǎn)剛度。本文對車門扭轉(zhuǎn)剛度的分析方法是行之有效的。 (3)本文成功地對車門表面剛度進行了分析。這一分析中，證明了此車門外板具有較好的表面剛度。本文對車門表面剛度的分析方法是行之有效的。 (4) 本文成功地對車門下沉剛度進行了分析。這一分析中，反映出了此車門模型下沉剛度所存在的問題并提出了優(yōu)化方法。本文對車門下沉剛度的分析方法是行之有效的。 通過本次課題的研究我們看到了有限元方法的仿真分析對車門的設(shè)計、改進非常有幫助。在今后的車型項目開發(fā)中，大量使用有限元分析方法進行汽車設(shè)計，不僅能大大提高開發(fā)水平，還能做出更加可靠、合理的產(chǎn)品設(shè)計。未來汽車CAE分析朝著更細化、更復(fù)雜的方向發(fā)展，這樣的做出的設(shè)計結(jié)果會比之前的更加真實精確，其開發(fā)的成本也會得到極大的降低。 總的來說，安全可靠性是現(xiàn)代汽車設(shè)計生產(chǎn)中永恒的追求，這就意味著車門要具有足夠的剛度和強度。而在車門設(shè)計過程中，有限元分析方法可以提供很強大的幫助，為車門結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供參考，使車門具有更高的安全可靠性。有限元方法的廣泛使用，不僅為無紙化設(shè)計和產(chǎn)品的快速開發(fā)做出了貢獻，而且必將推進汽車結(jié)構(gòu)向著高強度、輕量化、高安全性的方向發(fā)展。 參考文獻 [1] 智淑亞.《汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計》 [M].機械工業(yè)出版社，2014.11. 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