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新能源汽车轻量化车门局部补强CAE法分析

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：郑郧 1,2, 刘政 3

[导读] 随着车身轻量化要求的不断提升，车身外蒙皮材料不断减薄，尤其是车门蒙皮的减薄，有利于提升车门下垂刚度。

郑郧 1,2, 刘政 3
        1张家港清研检测技术有限公司江苏，张家港 215600 2张家港清研再制造产业研究院有限公司江苏，张家港 215600 3江苏大学江苏，镇江 212023



        随着车身轻量化要求的不断提升，车身外蒙皮材料不断减薄，尤其是车门蒙皮的减薄，有利于提升车门下垂刚度。本文在对某车门在轻量化过程中，针对车门外板局部刚度不足的问题，运用CAE方法分析补强片在车门上的运用。首先，利用CAE分析方法得到车门外板指压刚性弱的区域；其次，针对这些刚性弱的区域进行局部刚度补强，并对补强片厚度进行优化，得到满足车门刚性条件下在最佳补强方案。

        1 引言
        汽车轻量化是节省能源和降低污染的有效途径，研究报告表明：轿车每减重10%，则油耗可以[1]降低减少6%-8% 。目前，汽车轻量化主要有两种途径：一种是采用强度高、质量轻的新型材料，如高强度钢板、铝镁合金、工程塑料（树脂基复合材料）等；另外一种是优化汽车结构设[2]计，如结构件中空化、外板薄壁化。车身蒙皮的减薄，减小车身的局部刚度，车门等外覆盖件容易产生共振，带来车身异响的问题；客户对车门和侧围进行按压时，如果非常容易按入，易给客户产生汽车品质较差的印象，影响汽车品牌形象。
        车门结构复杂，主要由外板、内板、防撞梁、玻璃导槽、门铰链及门锁附件等组成。车门的性能包括模态、刚度及抗凹性多个方面。整车行驶过程中，车门处于关闭状态与车身构成一个独立的空间，车门的模态特性应考虑白车身的振动性能，尤其是车门的一阶模态频率应尽可能的避开车身的固有频率，以防止发生共振产生噪音及不舒适感。另外，车门应具有足够的刚度来抵抗各种变形。例如，车门在关闭状态时，会受到自身重量或乘员施加的垂直向下的力，此时要求车门的垂直刚度应满足设计要求，使得车门在垂向力作用下的变形控制在一定范围内，以防止车门门锁处卡死；车门抗凹性是指车门外板在受到外界载荷作用的情况下，防止其凹陷变形的能力。车门的抗凹刚度不仅会影响车门开关可靠性，造成漏风、渗水，行走过程中车门振动及噪声等问题，严重时车门抗凹性能不足引起的变形还会影响到车门锁、车门升降器等车门上的操纵附件的性能。
        为了解决这些问题，主机厂一般采用以下方式：在车门上粘贴补强片，这种方式可以针对指压刚性较弱的区域增加补强片，后期也可以根据实车试验结果进行增减补强片。
        由于使用成本较低与方便性，补强胶片得到了广泛的运用。但运用过程中一般通过工程经验来粘贴补强胶片，并不一定带来最佳的补强效果。因此对局部刚度进行分析，优化粘贴补强案是十分必要的。
        2.补强原理
        补强片的性能主要在胶料混合和挤出片材工序控制。各种树脂和橡胶的配比直接决定了补强片的性能。补强片的配方主要由环氧树脂，橡胶（丁腈橡胶，三元乙丙橡胶，丁基橡胶），硫化体系组成，有的产品为了实现轻量化的目的还添加了还有发泡剂。补强片粘贴后随油漆过程烘烤固化到汽车外板，形成的复合材料同时具有金属材料的刚性和非金属材料的韧性，改变了汽车外板的单纯的金属特性，使汽车外板的弯曲强度、刚度、抗冲击性和阻尼效果有明显提高。
        3 车门外板刚性试验方法
        3.1 CAE分析方法
        根据车门3D结构数据，在相对薄弱区域（即表面相对平坦，附近较大区域无支撑板、筋的区域）选择、布置抗凹考察点；依据相关试验标准的规定，建立圆面直径为20mm 的刚性压头模型，载荷为400N，车门外板材料为DC56D+ZF，弹性模量为2.1×10 MPa，屈服强度164MPa；补强片的弹性模量为2400MPa，屈服强度为18MPa，分析前处理软件为Hypermesh，求解出各考察点的位移量，与目标值10mm进行对比；对不满足抗凹分析的考察点区域布置补强片，以提高其抗凹性能，见图2:

             图2 车门有限元模型
        3.3 车门局部刚度分析
        利用Hypermesh得到车门外板对车门外板6个加载点进行分析，得到抗凹性能弱的区域，分析结果如图3和表1所示，可以发现加载点P5,P6不满足抗凹性能要求。



        图3 车门局部刚度分析


        表1 加载点位移

                3.4补强片后的局部刚度分析及结果
        根据试验结果，针对这些抗凹性能较弱的区域，如图4，图5所示，可以使用补强片对这些区域进行增强，减小这些区域的抗凹变形量。粘贴2mm补强片的补强结果如图6所示。

               图5 粘体补强片（有限元模型）


        图6 粘体2mm补强片的局部刚度分析及结果
        3.5补强片厚度优化
        由于补强片有多种厚度，针对不同补强片厚度增强方案，对补强胶片进行厚度优化。厚度优化结果如图7，图8所示。通过补强片厚度优化得到满足车门刚性条件下在最佳补强方案。


        图7 补强片厚度优化

        图8 对补强片进行厚度优化后刚度结果

        表2 补强前后的对比数据

        4 结论
        通过车门外板抗凹性能改善的实例，利用CAE分析方法，更好的运用车门补强片。通过比较补强前后的数据，如表2所示，得到如下结论：车门外板的抗凹性能主要决定于车门外板的材料属性和厚度，补强片只能改善车门外板的局部抗凹性能，补强片可以在增重很少情况下大幅度改善抗凹性能。

        参考文献：
         [1]张彦,来新民，朱平，等基于抗凹性的轿车零件的轻量化设计及耐撞性分析机械设计与研究[J].机械设计与研究，2004，20（5）：75-79.
        [2]陈世平,汽车轻量化及其材料[J].汽车工艺与材料，1995（4）：21-28.
        [3]付磊,乐义, 张月, et al. 基于CAE分析和刚性试验的车门补强片运用[J]. 汽车科技, 2015(4):34-37.