基于LS-DYNA隐式算法的车门下沉刚度分析

摘　要：四门两盖是乘用车的重要组成部分，车门作为重要构件，应当具备足够的刚度强度和抗振性能，本文利用LS-DYNA 隐式算法对其进行有限元仿真分析计算，为车门设计验证提供可靠的理论依据。

1 引言

车门是车身的重要组成部分，当车门刚度不足，容易造成车门开启困难、密封不好、漏风渗雨等问题，从而导致车门产生噪声和振动，大大降低乘坐舒适性，使得人员体验度下降，降低产品质量。因此，对车门进行下沉刚度分析很有必要，有限元分析是验证车门刚度的重要手段。

Hyperworks是汽车行业广泛应用的前后处理软件，其与多个求解器软件有很好的接口，比如Abaqus、LS-DYNA、Nastran、Ansys、O p t i s t r u c t等，汽车行业一般用Hypermesh为其他求解器搭建有限元模型。LS-DYNA能够模拟真实世界的各种复杂问题，非常适合求解三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力学冲击问题，以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法，以显式算法为主并有隐式算法，是通用的结构非线性有限元分析程序。

本文利用Hyperworks软件对车门建立有限元模型，在Hypermesh中搭建LS-DYNA求解器的CAE模型，在LS-DYNA中用隐式算法进行求解，对设计车前车门进行下沉分析，以了解其抵抗垂向变形的能力，为结构设计提供参考依据。

2 某轿车前车门有限元模型

针对某新型电动乘用车前车门下沉分析所用有限元模型，如图1所示。

有限元建模过程中，对模型进行几何清理和几何简化，对薄板进行抽中面处理，铰链保留实体，划分实体单元，截取白车身部分，用铰链与其连接，白车身和车门部分用点焊和二氧化碳保护焊连接，前挡风玻璃和前车门玻璃用胶粘连接。网格采用四边形、三角形和四面体单元，用8mm大小划分网格，三角形单元总数不超过5%，该有限元模型重量为25.6Kg，节点数量为264882，单元数量为255874。

3 前车门材料属性

前车门所用材料属性如表1所示。

4 边界条件

4.1　约束

约束车身断面处的平动自由度；约束车身与底盘连接处的全部自由度；约束锁扣处的侧向平动自由度；考虑铰链与侧围外板和车门内板之间的接触作用；考虑侧围外板和车门内板与各自加强板之间的接触作用。

4.2　载荷工况

Step1：施加车门总成自身重力；

Step2：保持车门自身重力，在门锁处施加沿Z 轴负向的载荷1000N；

Step3：保持车门自身重力，移除外载。

其约束和载荷工况如图2 所示。

图2 约束和载荷工况

5 计算结果与分析

5.1 工况一

车门在自重工况下的位移云图如图3 所示，从图中可以看出车门在自重下的最大变形量为1.78mm，发生在车门右上角。车门在自重工况下两铰链处的应力云图如图4 所示，从图中可以看出下铰链处所受应力较大，最大应力值为255MPa。

图3 自重下车门的Z 向位移

图4（a）上铰链附近区域应力云图

图4（b）下铰链附近区域应力云图

5.2 工况二

车门在保持车门自身重力，在门锁处施加沿Z 轴负向的载荷1000N 工况下的位移云图如图5 所示，从图中可以看出车门在自重下的最大变形量为9.83mm，发生在车门右上角。车门在保持车门自身重力，在门锁处施加沿Z 轴负向的载荷1000N 工况下两铰链处的应力云图如图6 所示，从图中可以看出上下铰链处所受应力相差不大，最大应力值为386MPa。

图5 门锁处施加沿Z 轴负向的载荷

1000N 车门的Z 向位移

图6（a）上铰链附近区域应力云图

图6（b）下铰链附近区域应力云图

图7 移除外载工况下车门的Z 向位移

5.3 工况三

车门在保持车门自身重力，移除外载工况下的位移云图如图7 所示，从图中可以看出车门在自重下的最大变形量为3.07mm，发生在车门右上角。车门在保持车门自身重力，移除外载工况下两铰链处的应力云图如图8所示，从图中可以看出下铰链处所受应力较大，最大应力值为278MPa。

图8（a）上铰链附近区域应力云图

（b）下铰链附近区域应力云图

图9 门锁处的垂向位移变形图

表2 门锁处垂向位移

6 结论

通过对车门在三种不同工况下进行有限元分析，可以得出门锁处的垂向位移变形图，如图9 所示。在车门下沉分析过程中，主要评判指标是门锁处的垂向位移是否小于目标值，从表2 可明显看出，在自重下，门锁处垂向位移为1.27mm，在工况二下，门锁处的垂向位移为7.46mm, 卸载后的残余变形为0.79mm，该车门门锁垂向位移均小于目标值，符合设计要求，估可应用在实际车型中，为车门设计提供理论依据。

参考文献：

[1] 谷同金，张代胜. 某型货车车门下沉刚度分析及改进设计[J]. 汽车科技，2012：36-38.

[2] 谭继锦，张代胜. 汽车结构有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 邢艳云，高婷婷. 轿车车门下沉刚度分析及改进设计[J]. 天津：天津工程师范学院学报，2009.

来源：百度学术