基于HyperMesh的乘用车门外板抗凹性能分析及优化策略

摘    要：车门外板的抗凹性能是车身性能的重要评价指标之一，抗凹性能不足会降低产品的品质形象，影响客户的主观感受。为解决这一技术问题，文章采用HyperMesh对车门外板抗凹性能进行模拟，通过改变外板加强板结构和增加补强胶片对不合格压点进行优化，并针对优化方案进行试验验证，试验结果表明，仿真优化方案的有效性，为车门外板结构优化提供可靠依据。

关键词：车门外板;HyperMesh;结构优化;抗凹性能;

随着汽车产业的发展，国家政策导向及用户需求的不断提升，汽车的性能越来越受到广大用户的关注[1]。其中车门既是整车外覆盖件的重要组成部分，又是一个相对独立的总成，通常由车门外板、车门内板、加强版、门锁等一系列零部件焊接而成，其性能的好坏，对车内乘员的安全性及舒适性有较大的影响，并且直接关系到用户对车辆的评价。

车门抗凹性，反映的是外板在受到外部载荷时，抵抗局部凹陷、变形的能力，是用户主观评价的重要因素[2]，其性能的优劣，会对车辆在高速行驶过程中的抖动有一定的影响。针对其抗凹性能的评估，行业内普遍做法是考察加载点的变形量、是否存在油罐现象，以及残余变形量是否符合设定的目标值，且为了增加车门外板的刚度，通常会在内外板之间增加支架，增加板材料厚，优化板材结构或者在外板内侧增加补强胶片，来使其满足设计要求。在设计与实验时，车门的抗凹性能通常是以某载荷作用下，加载点产生的位移来作为检验的依据。因此，本文主要针对我司某款后车门某压点位移不达标进行优化，并进行实验验证。以此来提高车门外板的抗凹能力，并为同行业工程师提供相关问题的解决思路。

1 数值模型建立

1.1 模型建立

通过三维建模软件将车门总称导出为.stp等HyperMesh可识别的文件，并导入HyperMesh中进行网格划分前的几何清理。忽略对车门抗凹性能影响较小的细小孔、螺栓、圆角等其他特征，保留主要特征。由于车门总成主要为薄壁结构，因此，采用抽取中面，铺平面壳网格，并控制单元长宽比，翘曲，雅克比，单元角度，三角形占比等参数，来保证较高质量的网格。

为保证计算精度，车门总成主要单元尺寸为6 mm×6 mm，车门外板加载区域单元尺寸采用3 mm×3 mm，单元类型为S3和S4。压头使用半球形结构，直径30 mm，压头外表面采用壳单元模拟，赋予刚体材料，整个车门总成模型中三角形单元比例为3.6%，有限元模型如图1所示。

图1 车门有限元模型

1—车门外板；2—车门内板；3—外板加强版；4—防撞杆；5—压头。

1.2 材料属性

车门外板的屈曲抗凹分析是典型的非线性问题，为保证分析的准确性，本文充分考虑了材料非线性、几何非线性以及边界非线性[3]。零部件之间采用coupkin、solid等单元来模拟螺栓连接、焊点连接和粘胶连接。由于车门外板抗凹属于准静态分析，可以忽略材料的应变率对分析结果的影响。本文中所有材料的应力应变曲线均通过电子万能试验机进行拉伸试验获得，有限元模型中材料属性如表1所示。

表1 主要零部件材料

1.3 边界条件

移动压头至目标点，在压头与车门外板之间建立接触对。接触对通常选用刚性较大的结构作为主面。因此，选择压头作为接触主面，车门外板作为接触从面，摩擦系数为0.15，添加有限滑移约束，约束铰链安装点与门锁扣安装点123456自由度，约束压头中心点除加载方向之外的其他自由度，加载方向为车门外板法向，在压头上加载200 N集中力，然后卸载。

2 车门抗凹优化设计

2.1 优化方案

针对本文中所述测点抗凹性能不满足要求的问题，提出以下优化方案1与方案2与原始方案进行对比：1）改变外板加强板的结构，将初始加强板两边向下折弯，中部朝外车门外板侧向上凸起中间涂抹减振胶，变更为中间反向朝向车门内侧凹陷，两侧翻边涂胶，同时，将加强板的凹槽深度由原10 mm增加至18 mm，此种方法可以有效增加加强版与车门外板涂胶面的宽度，从而在一定程度上增加外板刚度，针对此方案进行仿真分析。2）在外板加强板变更的基础上，压点位置外板内侧粘贴150 mm×100 mm×1.5 mm补强胶片，再次进行仿真分析。优化方案如图2和图3所示。

图2 优化方案1  

图3 优化方案2  

2.2 结果分析

针对原始方案中加载点位移为5.79 mm，不满足≤5 mm的目标值的问题。对以上2种优化方案进行验证，输出优化方案与原始方案的位移载荷对比曲线如图4所示，分析结果如表2所示。

图4 测点位移载荷曲线

表2 分析结果

从计算结果可以看出，方案1与方案2均增加了车门外板的局部刚度，使外板的抗凹性能得到较大幅度提升，方案1与方案2加载点位移与原结构相比分别减小了13.3%和21.9%，且优化后外板抗凹性能达到目标范围。

3 实验验证

基于优化的仿真分析结果，制作样件1、样件2分别与方案1、方案2对应。利用丝杠加载，由位移传感器控制位移（分辨率0.01 mm）、力传感器控制加载值（分辨率1 N），利用轻量化材料应用测试系统（AMM-200-I）采集数据，压头直径30 mm。实验过程如图5所示，对目标点进行试验验证，试验结果如图6所示。

图5 车门抗凹试验  

图6 试验结果  

试验结果与仿真结果进行对比分析，结果如表3所示。

表3 试验与仿真结果对比分析

对比表3分析结果，可以得出，样件1与样件2均满足目标值，且方案1外板加强板结构优化已满足目标值，方案2增加补强胶片可以进一步提高车门外板的局部刚度，提升其抗凹性能。仿真分析结果与试验结果有较好的一致性，说明了仿真结果的准确性，但综合评估经济性与整体性能方面的最优化，可以将方案1运用到实际量产中。

4 结论

本文针对某轿车车门外板抗凹性能进行优化，通过变更车门外板加强板结构与增加补强胶片，来提升外板的抗凹性能，并进行仿真分析与实验验证，得出如下结论：

1）试验与仿真有较好的一致性，说明仿真分析的准确性。

2）优化车门外板加强板与增加补强胶片均可以提升外板的局部刚度，提升其抗凹性能。

3）变更外板加强板结构对车门外板抗凹性能提升明显，使其能够达到目标值，且变更后的外板加强板可以一定程度上提升车门的侧面碰撞性能。基于经济性的原因，增加补强胶片可以作为外板刚度进一步提升的备选方案。

上述结论为后续车型开发过程中车门抗凹性能的提升奠定了基础，为后续车门性能的深入研究提供了方向。

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