1. 引言
车门是汽车关键的运动件，也是整车中使用频率最高的系统之一。车门是汽车车身设计中十分重要而又相对独立的一个部件，车门的质量直接关系到乘车人员的安全性和舒适性。车门刚度能直接反映车门的性能和质量。车门垂直刚度是车门刚度的重要内容，是衡量车门性能高低的最重要的标准之一，因此必须重视车门的垂直刚度 [1] 。同时在提升车门垂直刚度性能的同时也需要协调好车门性能与重量成本的关系，不能厚此薄彼。
从车门的连接结构特点可以看出车门垂直刚度主要和三方面有关：车门、车身、车门铰链。从理论上来说，提升车门的垂直刚度需从这三方面入手，才能实现车门垂直刚度最优。滕平 [2] 通过分析影响钣金式车门铰链结构对车门垂直刚度的影响，对铰链结构、安装孔等提出改进方案；刘成强 [3] 使用车门动特性CAE分析的方法，判断车门结构中能量集中的部位，对其改进并验证了仿真分析的合理性。本文从铰链和车门系统提升车门垂直刚度性能，使用CAE仿真分析的方法验证。
2. 有限元仿真建模
本文以某微型厢货车前车车门为研究对象，主要包括内外板及加强板、防撞梁、铰链总成等钣金件及焊点、粘胶等。HyperMesh是Altair公司一款高性能的CAE前处理软件，能够和目前多款主流三维设计软件进行直接数据传导，并且能为非线性分析软件ABAQUS、线性分析软件NASTRAN等提供高质量的有限元网格，在全球汽车、航天、船舶等行业得到了广泛的应用。进行网格划分前，要对车门所有薄板钣金件抽取中面，为提高有限元网格质量，获得更高的计算效率和求解精度，需对车门按照几何特征进行几何清理，例如移除重复的面、边和多余的点，缝合相邻面之间的缝隙、根据几何特征修补丢失或破坏的面等。为提升计算效率，简化了密封胶条、门锁等部件，用质量点代替。
车门是由冲压钢板焊接而成，故门板在划分网格时采用2D壳单元 [4] ，网格大小为8 mm，车门铰链采用六面体实体单元进行划分。精细化建模对单元参数进行控制，保证单元翘曲最大值为9.52，雅克比(jacobian)最小值为0.7，四边形单元内角最大值为120.63˚，最小值为45.32˚，为保证计算过程的稳定性，三角形单元的个数一般要求小于单元总数的5%，特别是特征复杂零件，进行网格划分时应尽量避免三角形单元集中，此次建模中三角形单元占壳单元比例的1.2%，六面体单元占实体单元比例96%。车门钣金件之间连接方式主要有焊点(烧焊、点焊)连接、螺栓连接和粘胶连接。本文研究的车门的焊点共有126个，点焊连接使用acm单元模拟，有3D单元属性；烧焊连接和螺栓连接使用RBE2刚性单元模拟，无属性；粘胶连接采用adhesives单元模拟，有3D单元属性。车门总成有限元模型如图1所示。
Figure 1. Finite element model of door assembly
图1. 车门总成有限元模型
网格处理好后，需要对各部件赋予对应的材料和属性，车门材料采用不同型号的钢材，在进行仿真时统一参数，弹性模量为210 MPa，泊松比为0.3，密度为7.83e−9，在材料卡片中设置车门材料性能参数，门板的厚度在属性卡片中设置，如表1所示。
3. 车门自由模态分析
车门的自由模态分析是在无约束无载荷的自由状态下进行的 [5] 。模态分析用于评价系统的动态特性，在这种振动形态下，系统表现出单自由度系统的运动特征。汽车在行驶过程中，主要受到路面激励及发动机的激振，车轮不平衡激励，频率一般在1~30 Hz之间。若车门一阶模态偏低，容易引起共振，产生抖动及异响等影响NVH特性的问题，故在汽车设计开发过程中，应保证车门一阶模态满足性能要求，一般要求一阶模态不小于30 Hz。
约束铰链与车身安装点SPC = 123456，不放开轴线自由度，并且锁体鱼嘴中心处SPC = 123456，仿真过程中需计算到100 Hz。车门外板、窗框、车门内板的一阶模态分别是是32.36 Hz、35.09 Hz、50.54 Hz，并且100 HZ以内无防撞梁模态，第一阶模态以Y向弯曲振型为主，本车门的第一阶频率能够满足要求，一阶模态云图如图2所示。
Figure 2. Cloud chart of door free mode
图2. 车门自由模态云图
4. 车门垂直刚度分析
车门系统在承受垂直载荷时的抗变形能力，以及卸载后恢复原有形状的能力被定义为车门的垂直刚度。车门刚度分析的目标即在要协调各刚度值，在保证车门性能基本不变的情况下，适当减弱刚度较好的刚度值，提高较差的刚度值，对车门结构进行优化，使得车门整体结构均匀、平衡。车门垂直刚度不足会引起车门卡死及关闭力增大，严重时会造成漏风、渗水、行驶过程中车门振动及噪声等问题，这都将对乘坐舒适性造成严重影响 [6] 。
对车门进行垂直刚度有限元仿真时，对门锁体鱼嘴中心处施加垂直向下的载荷，大小为800 N，加载步伐为50 N，并考虑车门自重；铰链与车门安装点SPC = 123456，锁体鱼嘴中心SPC = 2，即约束锁体安装点Y方向平动自由度，车门需打开200 mm。车门垂直刚度云图如图3所示。
Figure 3. Cloud chart of vertical stiffness of door in the original scheme
图3. 原方案车门垂直刚度云图
从分析结果可知，位移测量点车门锁芯处的Z向加载位移量为8.22 mm，卸载位移量为0.93 mm，大于目标值加载位移7.60 mm、卸载位移0.85 mm，不满足设计要求，故需要对车门的垂直刚度进行改进优化。
现提出以下改进方案：增加铰链加强板和螺母板厚度，螺母板一般是标准件，且螺母板可更改，改进成本较低。将铰链加强板的厚度由原来的1.2 mm增加至1.4 mm，螺母板厚度2.0 mm增加至2.5 mm，如图4所示。
Figure 4. Increase the thickness of hinge reinforcing plate and nut plate
图4. 增加铰链加强板和螺母板料厚度
在两块螺母板与铰链加强板的中间增加两个焊点，两板之间增加一层结构胶，加强链接，如图5所示。
Figure 5. Add solder joint and structural adhesive
图5. 增加焊点和结构胶
经计算得到图6和表2改进方案的车门垂直刚度情况。
(a) 
(b)
Figure 6. Cloud chart of vertical stiffness comparison between the improved scheme and the original scheme. (a) Original scheme; (b) Improvement scheme
图6. 改进方案与原方案垂直刚度对比云图。(a) 原方案；(b) 改进方案
Table 2. Comparison of vertical stiffness between the original scheme and the improved scheme
表2. 原方案与改进方案垂直刚度对比
由仿真结果可知，改进方案车门加载位移比目标值低4.2%，比原方案低11.4%；卸载位移比目标值低14.1%，比原方案低21.5%。改进方案对比原方案增重了0.12 kg。改进方案在加强螺母板与铰链加强板之间的链接的同时增加铰链加强板与螺母板的厚度能有效提高车门的垂直刚度。
5. 结论
在车门前期设计阶段，对车门进行CAE仿真模拟可以分析出车门的刚度性能是否符合设计要求。本文通过对车门进行自由模态分析和静态刚度分析，评估车门的自由模态振型符合要求，但是车门垂直刚度较低，因此提出加厚铰链加强板和螺母板，并在两板之间增加结构胶和焊点，加强链接的方案，改进方案车门加载位移比目标值低4.2%，比原方案低11.4%；卸载位移比目标值低14.1%，比原方案低21.5%。改进方案对比原方案增重了0.12 kg，在保证车门轻量化的同时也有效提高了车门的垂直刚度，为解决车门前期设计阶段出现的垂直刚度问题提供了参考。
基金项目
湖南省创新型省份建设专项资助项目(2019XK22104)；柳州市科技计划项目(2021AAA0103)；湖南创新型省份建设专项任务项目(2020GK4010)。