垂向剛度分析的案例
基于NASTRAN對車門垂向剛度的分析研究
本文針對車門垂向剛度問題，建立帶A柱前車門有限元模型，利用MSC.Nastran對車門進行垂向剛度分析，并根據(jù)Nastran計算結(jié)果進行分析，進一步提出提高車門垂向剛度優(yōu)化方案，為設(shè)計部門提供一種高效可行的改進方案。
1 前言
車門是車身設(shè)計中十分重要而又相對獨立的一個部件，車門剛度不足會引起車門邊角處的變形量過大，引起車門卡死、關(guān)閉力增大、密封不嚴(yán)導(dǎo)致漏風(fēng)、滲水以及內(nèi)飾脫落的現(xiàn)象。隨之產(chǎn)生車門的振動，帶來噪音，降低乘坐舒適性。因此對車門剛度有一定的要求。
車門垂向剛度是車門剛度分析的一項重要指標(biāo)。車門垂向剛度分析是模擬車門在打開一定角度狀態(tài)下，由于人員上下以及人員利用車門支撐身體而產(chǎn)生的垂直載荷作用下，能夠保持一定的抵抗變形的能力，以及卸載后恢復(fù)原有形狀的能力。本文以某轎車前車門為例，運用Altair HyperMesh軟件建立帶A柱前車門有限元模型，在MSC.Nastran中對車門進行垂向剛度分析，并通過對Nastran計算結(jié)果進行分析，提出了提高車門垂向剛度設(shè)計方案，為設(shè)計部門提供快速可行的改進方案。
2 有限元模型建立與分析方法
2.1 網(wǎng)格劃分
本次車門分析主要采用四邊形單元，三角形單元占總單元數(shù)的比重控制在一定的百分比之內(nèi)。單元總數(shù)的規(guī)模可根據(jù)計算機硬件能力確定。前車門有限元模型：
2.2 邊界條件
車門垂向剛度分析約束車身截取斷面處節(jié)點123456自由度，車門鎖銷中心點2自由度，如圖2所示。
2.3 載荷
載荷作用點為鎖銷中心點，方向垂直向下，計算結(jié)果讀取該點在垂直方向上的位移。
載荷分兩個工況：
加載：模擬加載過程，載荷大小為1000N。
卸載：模擬卸載過程，得到車門在加載過程后的殘余變形，載荷大小為1E-6N。
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說明：本人在技術(shù)鄰發(fā)表的所有論文均為第一作者原創(chuàng)，未經(jīng)作者允許，不得轉(zhuǎn)載。。。
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基于有限元仿真的某車門輕量化分析
圖1 車門有限元模型
1.2 車門自由模態(tài)分析
汽車在行駛過程中會受到路面不平及發(fā)動機怠速等所帶來的振動，車門的固有頻率需避開外界因素導(dǎo)致的振動頻率，否則引起共振將嚴(yán)重危害車門的密閉性及帶來異響[2]。車門的自由模態(tài)避開外界的激勵頻率能有效避免共振帶來的危害[3]。
通過HyperMesh進行有限元建模及前處理，提交OptiStruct求解計算，在HyperView中查看自由模態(tài)計算結(jié)果，顯示一階非剛體模態(tài)頻率為31.74 Hz，如圖2所示。振型為內(nèi)板中部彎曲，后續(xù)更高階模態(tài)頻率均高于一階頻率，滿足高于外界激勵24 Hz的要求。
圖2 一階彎曲模態(tài)
1.3 車門垂向剛度分析
車門的垂向剛度是衡量車門結(jié)構(gòu)性能的一個重要指標(biāo)，若垂向剛度不足將導(dǎo)致車門變形，影響開閉，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致車門失效[4]。根據(jù)主機廠要求，在門鎖處加載1 000 N垂直向下的力，約束門安裝鉸鏈處6個方向的自由度。在HyperView中查看計算結(jié)果，顯示門鎖處的垂向位移為1.63 mm，如圖3所示。由式（1）計算得，車門的垂向位移為612.45 N/mm，滿足主機廠不低于400 N/mm的要求。
圖3 門鎖處垂向位移
式中，EI為垂向剛度；F為加載力；ΔZ為加載點最大垂向位移。
1.4 車門靜強度分析
加載1 000 N垂直向下的力后，車門會產(chǎn)生變形，車門內(nèi)的最大應(yīng)力不能超過車門用材的屈服極限，否則車門將會產(chǎn)生塑性變形甚至斷裂。計算結(jié)果顯示，車門的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)板的下方鉸鏈附近，最大應(yīng)力值為109 MPa，車門內(nèi)板的預(yù)選材為DC04，其屈服強度下限為130 MPa，其余零部件內(nèi)應(yīng)力均未超過材料的屈服極限，如圖4所示。
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