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. （研究生課程論文 ） 汽車動(dòng)力學(xué) 論文題目：基于ABAQUS的車門強(qiáng)度分析 指導(dǎo)老師： 學(xué)院班級(jí)： 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào)： 2014年12月 . 基于ABAQUS的車門強(qiáng)度分析 （武漢理工大學(xué)） 摘要：轎車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是整車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。車門的強(qiáng)度直接關(guān)系到整車在沖擊、碰撞等載荷下的安全問題，車門結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度的計(jì)算分析，在車門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)程中非常重要。本文根據(jù)國(guó)家“轎車側(cè)門強(qiáng)度”試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，基于ABAQUS平臺(tái)對(duì)車門強(qiáng)度進(jìn)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(duì)車門強(qiáng)度的影響，并選擇最優(yōu)方案。 關(guān)鍵詞：車門；強(qiáng)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)性能的好壞。在正常服役條件下，車門經(jīng)常受到關(guān)閉時(shí)的沖擊，自重導(dǎo)致的彎矩和鉸鏈的拉伸等作用。在車輛受到側(cè)面碰撞時(shí)，車門的變形量必須控制在一定的范圍內(nèi)，為乘員提供一個(gè)有效的生存空間，因此，車門的強(qiáng)度和剛度直接關(guān)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(guó)家有關(guān)轎車車門強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，其中GB 15743——1995法規(guī)規(guī)定了轎車側(cè)門的強(qiáng)度要求及試驗(yàn)方法：使用一定的大小的剛性圓柱體從車門外側(cè)擠壓車門，當(dāng)達(dá)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(yàn)，將會(huì)使用大量的人力和物力[1]。 1 有限元軟件簡(jiǎn)介 本文基于Hypermesh和ABAQUS平臺(tái)，對(duì)車門強(qiáng)度進(jìn)行分析。 1.1 Hypermesh簡(jiǎn)介 在CAE工程技術(shù)領(lǐng)域, Hypermesh最著名的特點(diǎn)是它所具有的強(qiáng)大的有限元網(wǎng)格劃分前處理功能。 Hypermesh的網(wǎng)格劃分功能[2]： ①確定網(wǎng)格的單元類型。這取決于要做的分析類型和模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于同樣的分析，采用的求解器不同也會(huì)影響這個(gè)選擇。 ②確定網(wǎng)格的大小 這取決于模型的規(guī)模、計(jì)算機(jī)的能力（CPU、內(nèi)存、硬盤、是否并行算法），還有對(duì)計(jì)算精度的要求。 ③劃分網(wǎng)格的方法 網(wǎng)格劃分中對(duì)于比較簡(jiǎn)單的模型直接采用自由網(wǎng)格劃分，但是對(duì)于復(fù)雜模型來說，完全自動(dòng)劃分幾乎是不可能的，算法不能實(shí)現(xiàn)且不說，即使劃分出來網(wǎng)格質(zhì)量也非常差，這個(gè)時(shí)候就要人工干預(yù)劃分的網(wǎng)格質(zhì)量，并且最后檢查網(wǎng)格質(zhì)量是否符合要求。 1.2 ABAQUS簡(jiǎn)介 ABAQUS無論對(duì)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的線性和非線性工程問題都提供了一套完整強(qiáng)大的有限元理論解決方案，對(duì)于廣泛領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)，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(yùn)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(gè)單獨(dú)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(dǎo)入部件的幾何形狀。本文中采用的就是從第三方軟件導(dǎo)入。 ②定義Property（特性）：整個(gè)部件中的任一個(gè)部分的特征，如與該部分有關(guān)的材料性質(zhì)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(gè)部件時(shí)，部件存在于自己的局部坐標(biāo)系中，獨(dú)立于模型的其他部分。用戶可以應(yīng)用該模塊建立部件的實(shí)例，并且將這些實(shí)例相對(duì)于其他部件定位于總體坐標(biāo)系之中，從而構(gòu)成一個(gè)裝配件。一個(gè)ABAQUS/CAE模型只能包含一個(gè)裝配件。 ④創(chuàng)建Step（分析步）：用戶可以應(yīng)用Step模塊生成和構(gòu)件分析步，并與輸出需求聯(lián)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?jù)需要，在分析步之間更改輸出變量。 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(xué)或者力學(xué)方面的相互作用，如兩個(gè)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(huì)自動(dòng)識(shí)別部件實(shí)體之間或者一個(gè)裝配件的各個(gè)區(qū)域之間的力學(xué)或者熱學(xué)的相互作用，用戶要實(shí)現(xiàn)該需求，必須在相互作用模塊指定接觸關(guān)系。相互作用于分析步有關(guān)，這就意味著用戶必須規(guī)定相互作用是在哪個(gè)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(chǎng)變量。邊界條件和載荷與分析步有關(guān)，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(chǎng)變量?jī)H作用于分析的初始階段，而其他的場(chǎng)變量與分析步有關(guān)。 ⑦提交Job（作業(yè)）：一旦完成了所有定義模型的任務(wù)，用戶就可以用Job模塊分析計(jì)算模型。該模塊允許用戶交互地提交分析作業(yè)并進(jìn)行監(jiān)控?？梢酝瑫r(shí)提交多個(gè)模型和運(yùn)算并對(duì)其進(jìn)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(jié)果的圖像顯示。它從數(shù)據(jù)庫中獲得模型和結(jié)果信息，通過Step修改輸出要求，從而用戶可以控制寫入數(shù)據(jù)庫中的信息。 2 車門的有限元模型 2.1 車門網(wǎng)格模型 本文研究的是某轎車的前右側(cè)車門,車門的有限元模型如圖1所示。利用Hypermesh劃分網(wǎng)格完畢后，車門整體模型（包括鉸鏈、粘膠、焊點(diǎn)等）總單元數(shù)量60909個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為63814個(gè)。整個(gè)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(nèi)板；5-玻璃升降器導(dǎo)軌；6-玻璃升降器導(dǎo)槽；7-內(nèi)板加強(qiáng)板；8-外板加強(qiáng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖3所示。 (b) 6111-T4應(yīng)力-應(yīng)變 (a) DP600應(yīng)力-應(yīng)變 圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 3.1 分析方案 本次對(duì)車門強(qiáng)度分析時(shí)，車門外板采用不同材料和厚度，分析對(duì)車門強(qiáng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)板也使用6111-T4鋁合金材料，厚度值亦變?yōu)?mm。 3.2 強(qiáng)度分析 由于車門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在擠壓大變形過程中車門外壁要與車門內(nèi)部的玻璃升降機(jī)構(gòu)等構(gòu)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(yù)先定量知道車門的強(qiáng)度特性，如果滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求，可預(yù)先得知車門符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；如果不滿足規(guī)定的強(qiáng)度數(shù)值，則就要對(duì)原車門的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，例如在車門內(nèi)部使用加強(qiáng)筋，然后再對(duì)優(yōu)化后的車門進(jìn)行模擬分析，直到滿足強(qiáng)度要求，這樣就節(jié)省了多次嘗試試驗(yàn)所花費(fèi)的人力和物力。 接觸－擠壓?jiǎn)栴}屬于非常困難的非線性問題之一，因?yàn)樵诮佑|－擠壓?jiǎn)栴}中的響應(yīng)是不平滑的。當(dāng)擠壓發(fā)生時(shí)，垂直于接觸界面的速度是瞬時(shí)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(diǎn)對(duì)模型，即將兩接觸物體的接觸面劃分成相同的網(wǎng)格，組成一一對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)對(duì)，并假定兩接觸體的接觸力通過節(jié)點(diǎn)對(duì)傳遞，這種模型需預(yù)先知道接觸發(fā)生的確切部位，以便施加邊界單元，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題和考慮摩擦的動(dòng)態(tài)接觸問題，點(diǎn)對(duì)模型將給結(jié)構(gòu)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(diǎn)面接觸模型是把兩接觸體分為主動(dòng)體和被動(dòng)體，在分析時(shí)研究主動(dòng)體的節(jié)點(diǎn)與被動(dòng)體接觸表面上相接觸的自由度關(guān)系及變形的一致關(guān)系，從而確定接觸邊界條件，然后再?gòu)倪吔缱冃螀f(xié)調(diào)的變分原理出發(fā)，建立整個(gè)接觸系統(tǒng)的控制方程。這種模型可以非常有效地處理復(fù)雜接觸表面和動(dòng)態(tài)接觸問題。接觸問題中產(chǎn)生接觸的兩物體須滿足邊界互不穿透的約束條件，每一個(gè)時(shí)間步均會(huì)首先檢查各從節(jié)點(diǎn)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(shù)法和基于求解器的直接約束，拉格朗日乘子法與罰函數(shù)法在處理時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡，一旦探測(cè)出發(fā)生接觸，便將接觸所需的運(yùn)動(dòng)約束（即法向無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切線可滑動(dòng)）和節(jié)點(diǎn)力（法向壓力和切向摩擦力）作為邊界條件直接施加在產(chǎn)生接觸的節(jié)點(diǎn)上[3-4]。這種方法對(duì)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(gè)非常重要的問題。 圖4 定義接觸 運(yùn)用有限元軟件對(duì)車門強(qiáng)度分析時(shí)，首先要建立車門和剛體的有限元模型，并將它們的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行合理的約束、定義正確的接觸關(guān)系，如圖4所示。為了更好地使有限元模擬接近實(shí)際試驗(yàn)過程，這里有必要簡(jiǎn)述一下試驗(yàn)要求、邊界條件、載荷的施加以及接觸的定義，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行說明。 （1） 試驗(yàn)要求 根據(jù)轎車側(cè)門強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)滿足這樣的試驗(yàn)要求：側(cè)窗玻璃位于最高位置，所有車門為鎖閉狀態(tài)，車身應(yīng)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(zhǎng)度應(yīng)能使其上端面至少高出窗口下邊緣13mm，但在試驗(yàn)時(shí)不能碰到窗口下邊緣之上的任何構(gòu)件，其下端在車門最低點(diǎn)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(dòng)速度不得大于12.7mm/s，必須在120s內(nèi)完成，同時(shí)連續(xù)記錄載荷及相應(yīng)的位移，直到加載裝置移動(dòng)到457mm為止[5]?？紤]到試驗(yàn)裝置的移動(dòng)速度很低的情況,試驗(yàn)中的加載過程可以被認(rèn)為是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程,在準(zhǔn)靜態(tài)分析過程中不用考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。 （2） 強(qiáng)度要求 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB 15743-1995轎車側(cè)門強(qiáng)度要求”，在上述試驗(yàn)條件下，車門應(yīng)該滿足以下強(qiáng)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(zhì)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(gè)擠壓距離上記錄到的最大力。 （3） 力學(xué)邊界條件 根據(jù)試驗(yàn)條件，可得出模擬分析計(jì)算的力學(xué)邊界條件：載荷邊界條件首先用于轉(zhuǎn)動(dòng)車門的兩個(gè)鉸鏈，在關(guān)門狀態(tài)時(shí)有門鎖的約束和車身對(duì)車門邊框的約束。這些力學(xué)邊界條件在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)是必須要考慮的，而且要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，每個(gè)固定鉸鏈約束六個(gè)自由度中的五個(gè)：X、Y、Z方向的平動(dòng)，X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；門鎖處只約束兩個(gè)自由度：Y向和Z向的平動(dòng)。 （4） 載荷施加 車門所受到的外界載荷當(dāng)然就是剛性圓柱體作用到車門外側(cè)的擠壓力，這個(gè)力在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)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(shí)際上是位移載荷，進(jìn)而去求出車門在給定的擠壓距離內(nèi)的擠壓力、應(yīng)力、應(yīng)變及其分布等。通過在剛體上取一個(gè)Reference Point,在該Reference Point上約束除加載壓頭移動(dòng)方向以外所有的自由度,加載壓頭在分析中的運(yùn)動(dòng)過程,通過在Load模塊中添加強(qiáng)制位移邊界條件實(shí)現(xiàn)的。所需曲線結(jié)果輸出是在Step模塊中創(chuàng)建History Output，具體輸出參數(shù)是以上提到的用于控制加載裝置運(yùn)動(dòng)過程的Reference Point中的Reaction forces，其它結(jié)果輸出按默認(rèn)設(shè)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(gè)部件之間均會(huì)發(fā)生接觸，一些部件變形后會(huì)碰到其他部件，一些部件變形后可能會(huì)相互擠壓在一起。這些相互擠壓的部分之間都會(huì)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(guān)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(dòng)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(jiǎn)單地定義好整個(gè)模型的接觸問題，它可以允許一個(gè)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(duì)于預(yù)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(jié)果分析 三種方案的強(qiáng)度校核結(jié)果圖（0-152mm）和耐擠壓力值如圖5所示： （b） 方案2變形結(jié)果圖 （a） 方案1變形結(jié)果圖 （c） 方案3變形結(jié)果圖 圖5 各方案車門變形圖 表1 分析結(jié)果對(duì)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(guó)標(biāo)技術(shù)要求 10000 15560 31120 根據(jù)車門強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果為12010N，所以初始擠壓強(qiáng)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(jì)算結(jié)果為16273N，所以中間耐擠壓強(qiáng)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(jì)算結(jié)果為30176N，所以最大耐擠壓強(qiáng)度也得到滿足。 在這三個(gè)擠壓過程中，應(yīng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 同理可分析方案2和方案3，方案2和方案3的車門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中方案1、方案2和方案3的車門質(zhì)量分別為20.7kg、22.4kg和20.3kg，相比較方案2，方案3的車門質(zhì)量更小，故最終選擇方案3。 4 小結(jié) 車門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，而車門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析對(duì)車門的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。本文通過對(duì)某轎車的前車門進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并從三種方案中選擇最優(yōu)方案來指導(dǎo)車門的設(shè)計(jì)，具有重要的參考意義。 5 參考文獻(xiàn) [1]曾霽.基于輕量化的車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012． [2]于開平，周傳月，譚惠豐.Hypermesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005. 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