引 言
轿车车门系统是车身结构的重要组成子系统，以绕安装于车门侧的铰链为旋转轴来实现开启和关闭。一般轿车车门系统由薄板冲压成型并通过焊接连成一个整体的受力结构。在设计时会考虑到车门系统可能经受暴风吹开车门或路缘顶起车门等偶然性载荷，铰接系统装配调整以及客户在使用车门时滥加的载荷（将门开启一定角度，歇靠在车门上等），这些载荷将转变为对车门系统和对限位器系统的刚度要求。
如果系统垂向刚度不足，在这些载荷作用下会导致车门因变形而下沉，从而影响车门和门框的间隙及表面平齐度，使车门关闭费力和密封性变差。因此各大 OEM 会在设计中对车门系统的下沉量设定设计目标，保证车门的下沉刚度。
轿车车门下沉量仿真分析FE模型
计算轿车车门的下沉量，不仅仅只将轿车车门系统作为考量的目标，为了尽可能的考虑到白车身对车门系统的影响，尽量减小仿真分析的误差，在搭建仿真模型时也应针对部分白车身进行建模。
轿车车门的几何系统
常见轿车车门系统的设计中承担载荷的部件一般有外门板、内门板、上加强板、下加强板、门锁加强板、车门防撞杆、铰链加强板和铰链。一般由薄板冲压成型并通过焊接连成一个整体的受力结构。某车型轿车前车门系统的几何爆炸图如图 1 所示。
图 1 某车型几何爆炸图
该轿车前车门的材料及厚度信息如表 1 所示：
表 1 某车前车门材料及厚度信息一览表
考虑到材料的非线性，需测试所用材料的应力应变曲线。针对试验测试得到的数据进行整理，作出如图所 2 所示的各材料在塑性变形阶段的应力应变曲线。
图 2 材料的应力应变曲线
轿车前车门仿真模型建立
基础有限元模型建立
按照公司的网格划分标准利用 hypermesh 前处理划分前车门及部分白车身网格模型，定义各钣金件的材料及厚度信息，在车门铰链与车身铰链铰接位置使用刚性单元 rbe2 连接，该刚性单元放开沿着连接螺栓方向的旋转自由度【1】。搭建好的基础 FE 模型如图 3 所示。该基础 FE 模型的单元类型具体描述如表 2 所示。
图 3 某车型前车门下沉量分析 FE 模型
表 2 某车前车门基础有限元单元信息一览表
带接触的有限元模型建立
ABAQUS 前处理具有强大的接触定义理论。根据载荷作用时有可能产生的接触关系需创建相应的接触对。
将前处理的基础 FE 模型导入 ABAQUS_CAE,利用 ABAQUS 软件的接触模块创建铰链与车身侧、铰链与门内板侧的接触对。创建好的上铰链对的接触部分的 FE 模型如图 4 所示。
图 4 上铰链的接触对模型
轿车车门下沉量仿真分析求解针对搭建好的 FE 模型，定义边界条件及加载曲线，在 ABAQUS 中创建分析步，定义材料及几何非线性卡片，定义模型的输出。
定义边界条件及载荷
按照实车装配状态，约束车门锁扣处的 y 方向的平动自由度，约束白车身截断处的所有方向上的平动自由度。 依据公司现有的分析流程中对载荷的规定定义载荷曲线【2】。根据车门开启角度分别加载如图5（a）、图 5（b）所示的载荷曲线：
图 5（a）前车门开启角度为 20°的载荷曲线
图 5（b）前车门开启角度为 60°的载荷曲线
定义分析步并创建任务提交计算
利用 ABAQUS 软件中的 step 模块，按照分析流程要求【2】定义输出需求及各分析步的参数。创建分析任务 Job，提交 ABAQUS 计算。
轿车车门下沉量仿真分析结果
利用 ABAQUS 软件的后处理模块读取分析结果。在两种开启角度时，计算的结果云图如图 6
（a）、图 6（b）及图 7（a）、图 7（b）。
图 6（a）开启角度为 20°的应变结果云图
图 6（b）开启角度为 20°的铰链的应力结果云图
图 7（a）开启角度为 60°的应变结果云图
图 7（b）开启角度为 60°的铰链应力结果云图
利用 ABAQUS 后处理模块读取作用点随着时间变化的位移值，作出如图 8 的曲线对比图。
图 8 应变曲线计算结果与参考曲线对比图
根据计算结果及对比曲线图，该轿车前门开启角度为 20°时的最大应变及卸载后的残余变形都超过标准曲线。同时，开启角度 20°时上铰链的最大应力也超过材料的屈服极限。按照要求需对该子系统进行优化。
优化
查看整个子系统在力的作用下各个件的变形情况，内板刚度偏小。由于内板模具已开，可优化空间小，兼顾项目成本问题，决定对车门侧铰链加强板进行优化。具体优化步骤如下所示。
步骤一：对铰链加强板进行适当的拓宽。
图 9 加强板优化显示
步骤二：修改焊点位置并增加一个焊点，如图 10 所示。
图 10 焊点改变示意图
将优化过后的模型提交 ABAQS 软件进行重新计算，结果云图如图 11（a）、图 11（b）及图 12（a）、图 12（b）所示。优化过后，两个开启角度的应变均在标准曲线内，同时铰链强度低于材料的屈服极限。
图 11（a）优化后开启角度为 20°的应变结果云图
图 11（b）优化后开启角度为 20°的铰链应力结果云图
图 12（a）优化后开启角度为 60°的应变结果云图
图 12（b）优化后开启角度为 60°的铰链应力结果云图
图 13 优化后应变曲线计算结果与参考曲线对比图
结论
综合材料及几何的非线性，零部件之间的接触关系，通过 ABAQUS 的静态隐式求解能够比较真实的计算车门子系统的下沉量。车门子系统的下沉量只是车门子系统众多指标中的一项。运用仿真手段建立车门系统的有限元模型，利用 ABAQUS的强大的建模及求解功能能够完成车门的众多指标的校核和优化，为项目节省大量时间和经费，是赢得行业竞争的一个切实有效的手段。
资料来源：达索官方
