【《汽车车门的轻量化设计与仿真》18000字（论文）】

。由此可以看出，车门内板尚有一定的优化空间，而车门外板的变形量已经接近要求的极限，故不再进行轻量化设计。图6-6拓扑优化结果对车门内板进行厚度方面的缩减，轻量化之后的各个厚度情况下窗框处和车门内板带线处的变形量如表6.1所示：表STYLEREF1\s6-SEQ表格\*ARABIC\s11各厚度车门内板变形内板厚度窗框变形量带线变形量标准值0.80mm2.610mm3.624mm≤6mm，≤4mm0.79mm2.651mm3.894mm≤6mm，≤4mm0.78mm2.692mm3.998mm≤6mm，≤4mm0.77mm2.845mm4.187mm≤6mm，≤4mm通过分析可以发现，窗框处尚有较大的优化空间，但由于带线处的刚度的限制，最终选定的优化后的厚度为0.78mm。对0.78mm的车门主体内板和0.8mm的车门外板分别先后进行了两个应用静力学的实验分析,分析后的实验结果分别可以表现为结构如下的图6-7,图6-8,图6-9,图6-10所示。由图可以看出窗框、内板带线、外板带线、外板中部的应力分别为106.8MPa、112.41MPa、83.947MPa和59.58MPa，而内板采用的DC05和外板采用的P-BH钢的屈服强度分别为120MPa和180MPa，抗拉强度分别为270MPa和340MPa，都符合要求。本次优化使车门内板由19.909kg减重至19.314kg，减重了0.595kg，减重幅度为2.9%，一定程度上实现了轻量化的目的。图6-70.78mm窗框应力图6-80.78mm内板带线应力图图6-90.8mm外板带线应力图图6-100.8mm外板中部应力6.6本章小结本章首先根据实际情况及相关分析文献，确定了轻量化过程中车门内外板需要注意的受力点。随后对模型进行了简化分析，在保证精度的情况下对一些不必要的倒角进行了处理，减少了运算量。随后根据实际情况对车门进行固定之后，对车门窗框刚度、车门内外带线刚度和车门抗凹性能进行了有限元分析以及拓扑优化，并根据分析结果以及拓扑优化结果完成了车门内外板的轻量化，轻量化后的车门外板减重了2.9%。符合要求达到了轻量化目的。7抗侧撞梁的轻量化7.1引言在一辆汽车发生碰撞事故时,前部和后部的汽车碰撞因为有较厚的部件进行了缓冲,因此它们对于人体所造成的损失有了一定程度的削弱。但是车门在侧面发生碰撞时,因为汽车车门的部分比较薄,对于碰撞的舒适性和缓冲能力相对较差,给车辆和乘员带来的伤害要远远超过前后发生的碰撞。车门抗侧撞梁就是为了增加车门的抗侧撞能力而设计的，因此，对抗侧撞梁的轻量化也应该满足防撞前提，故采用侧面柱碰撞进行仿真分析。由于动力分析时间较长，应在不影响计算精度和准确性的前提下，尽可能简化分析模型，以减少计算时间。侧柱碰撞是模拟侧柱碰撞车门的过程，通过分析碰撞后的变形来分析汽车的抗侧撞能力。根据美国FMVSS214侧面汽车碰撞支撑防护结构保护法的规定,侧面碰撞支撑柱的固定直径上端应大约为305mm,下端则应高于左侧车门底部127mm,上端则应高于右侧车门下方的窗框至少13mm,以13.88m/s的速度撞击车门[16]。由于电脑计算量的限制，本文只对抗侧撞梁做碰撞分析。为保证安全性，侧面柱初始速度仍设置为13.88m/s。7.2网格划分鉴于考虑到了计算量和使用时间的问题,本文选择了将网格所划分的基本大小和尺寸限制为12mm,防止因使用网格过多而造成的计算量过大，从而减少运算时间，最终划分为23312个网格。因为侧面柱在碰撞过程中的变形量比较小，对分析结果的影响也不大，故将侧面柱设置为刚体。网格划分结果如图7-1所示：图7-1抗侧撞梁网格划分7.2动力学分析对车门抗侧撞梁按照实际情况进行约束，约束抗侧撞梁两端与内板接触部位的6个方向的自由度。随后对侧面柱施加大小为13.88m/s，方向为由车门外侧向车门内侧的初始速度。根据研究经验，一般整个碰撞过程在25ms以内，为了减少计算量，本文将分析的终止时间设置为25ms。最终碰撞结果如图7-2所示：图7-2实心抗侧撞梁变形7.3结果分析通过分析可以看到，碰撞结束后整个抗侧撞梁的最大变形量为52.665mm。根据对张湘衡汽车车身侧面碰撞[16]与结构分析研究的整合，碰撞25ms后一般车门内板的变形量在250mm至270mm之间，为保证安全性，充分保证乘员的身体状况，本文以250mm为最大变形量进行优化。对不同厚度的抗侧撞梁进行分析，结果如表7-1所示：表STYLEREF1\s7.SEQ表格\*ARABIC\s11各厚度抗侧撞梁变形量抗侧撞梁厚度最大变形量标准值8mm52.665mm≤250mm5mm83.115mm≤250mm4mm压溃≤250mm经过分析，抗侧撞梁厚度为5mm时，其变形量为83.091mm，如图7-3所示。因抗侧撞梁与内板尚有一定间隙，可以保证内板变形量少于250mm，符合变形量要求，而当抗侧撞梁厚度为4mm时，会出现被压溃现象。为保证安全，选用5mm抗侧撞梁，对其进行应力分析，结果如图7-4所示。由图可知，最大应力为1009.8MPa，而抗侧撞梁采用的淬火后的BR1500HS屈服强度为1262MPa，抗拉强度为1737MPa，符合要求。经过轻量化后的抗侧撞梁的重量为5.063kg，相比原重3.884降低了1.179kg，减重比例为23%，达到了较好的轻量化效果。图STYLEREF1\s7-SEQ图\*ARABIC\s135mm抗侧撞梁变形图STYLEREF1\s7-SEQ图\*ARABIC\s145mm抗侧撞梁应力7.4本章小结本章主要针对车门抗侧撞梁的抗侧撞能力做出了分析。车门抗侧撞梁是保证车门安全的重要部件，本次分析中由于计算量的原因只能直接对抗侧撞梁进行分析，为保证安全性，碰撞初始速度和碰撞变形量仍按照整个车门碰撞过程要求。经过优化后的抗侧撞梁减重了1.179kg，减重比例为23%。8对车门内外板完成轻量化后整体的刚度分析8.1刚度指标车门刚度的主要指标是扭转刚度和下沉刚度。目前，对车门刚度的评价在相应的标准和法规中还没有明确的规定，因此研究通常参考国外一些典型模型的特征值进行比较分析。刚度要求车门扭转刚度一般是指除车门开关转动外，限制车门铰链的五个自由度。门锁限制上下左右两个自由度的移动。门的四个角分别承受与门平面垂直的750N压力[16]。扭转刚度的计算用于模拟车门关闭或在危险边界载荷作用下的工作状态REF_Ref3427\r[20]。车门的下垂刚度主要是指限制车门铰链的全部六个自由度，考虑车门自重和车门把手上的载荷，并按照国家标准750N乘员重量垂直向下施加到把手上。试验评定标准：门在最大荷载作用下的下沉位移小于6.5mmREF_Ref3427\r[20]。表8-1扭转工况边界条件与计算结果扭转工况工况一工况二工况三工况四约束方式在车门铰链处约束X和Y方向上的三个移动自由度和旋转自由度，在门锁处限制X和Y方向上的移动自由度。在车门铰链处约束X和Y方向上的三个移动自由度和旋转自由度，在门锁处约束X和Y方向上的移动自由度。在车门铰链处约束X和Y方向上的三个移动自由度和旋转自由度，在门锁处约束X和Y方向上的移动自由度。在车门铰链处约束X和Y方向上的三个移动自由度和旋转自由度，在门锁处约束X和Y方向上的移动自由度。加载条件向车门左上角施加Y向负方向750N的力。向车门左下角施加Y方向的750N力。向车门的右下角施加750N沿Y负向的力。向车门的右上角施加750N沿Y负向的力。Y最大位移量-9.7178mm-2.639mm-0.7554mm-8.623mm扭转刚度77.17N/mm284N/mm979.8N/mm86.97N/mm图8-1工况一下Y的最大位移图8-2工况二下Y的最大位移图8-3工况三下Y的最大位移图8-4工况四下Y的最大位移表8-2下垂工况边界条件与计算结果下沉工况工况一工况二工况三工况四约束方式三个移动自由度和三个旋转自由度约束在车门铰链处。三个移动自由度和三个旋转自由度约束在车门铰链处。三个移动自由度和三个旋转自由度约束在车门铰链处。三个移动自由度和三个旋转自由度约束在车门铰链处。加载条件向车门把手施加Z向负方向750N的力。在负Z方向上向门锁闩施加750N的力。车门自身重。在负Z方向向车门内板的质心施加200N的力。Z向最大位移量-3.9042mm-4.77mm-0.9717mm-1.26mm下沉刚度192.3N/mm157..2N/mm325.2N/mm289.35N/mm图8-5工况一Z的位移量图8-6工况二Z的位移量图8-7工况三Z的位移量图8-8工况四Z的位移量8.2本章小结前车门应有足够的扭转刚度与下沉刚度，在设计前车门时必须注意将前车门的变形控制在一定的范围内，保证车身结构性能良好。在轻量化后的条件下，对本车前面门进行刚度分析，可得如下结论：一般要求最大载荷时车门的下沉位移小于6.5mm。本车在四种工况下的下沉位移3.9042mm4.77mm0.9717mm1.26mm均小于6.5mm，符合刚度要求。

总结及展望总结本文的主要内容是轿车轻量化过程中的车门设计，既包括车门的设计过程，又包括车门的轻量化过程。通过本次研究过程，较为系统的讲述了车门的设计过程，同时也完成了轻量化的过程。本次轻量化设计不仅对车门的轻量化过程做了较为系统的阐述，对其他部件的轻量化过程也有一定的借鉴意义。本文所作的工作总结如下：系统的介绍了车门设计过程中应该注意的问题，阐述了车门设计的流程、方法和一般规范。本文主要讲述了车门内板、车门外板、车门抗侧撞梁和车门内饰板的设计过程，并对各个部件的连接方式做了一定的分析。车门内板作为各个部分的依附部件，车门设计应该以车门内板为基准，首先完成车门内板的设计。但车门内板的设计过程中也要考虑到与其他部件的配合。在完成车门主要部件的设计之后，本文讲述了利用Soliworks软件进行车门建模的过程。（2）随后本文介绍了有限元软件ANSYS系统，并且讲述了车门的轻量化过程。车门的轻量化过程大体可以分为三个部分，因各部分的功能不同，对各个部分的要求也就不同，故针对各个部分分别做出轻量化设计。第一个部分为车门内饰板的轻量化，车门内饰板轻量化时主要考虑到乘员的舒适性以及一定的抗挤压能力，故对扶手处和基面处进行静力学分析并进行轻量化。第二个部分为车门内外板的轻量化，车门内外板轻量化过程中主要考虑到窗框刚度以及影响车门玻璃升降的带线刚度，下垂刚度因主要受车门铰链影响，但对轻量化影响不大，本文不予考虑。第三个部分为抗侧撞梁的轻量化，抗侧撞梁主要的性能是防侧撞，因此对其强度和刚度有较大要求，受电脑性能限制，本文仅对抗侧撞梁进行动力学分析，并根据分析结果做出一定的轻量化设计。通过本次毕业设计，我系统的学习了车门建模过程和轻量化的一般方法，进一步熟悉掌握了Soliworks软件和ANSYS软件的应用。经过轻量化后的车门内饰板减重0.1498kg，减重比例为5%，车门内板减重0.595kg，减重比例为2.9%，抗侧撞梁减重1.179kg，减重比例为23%。总重量由27.33kg减至25.4kg，减重1.265kg，减重比例为5%。展望受实验条件的限制，本次车门的轻量化设计尚有较大的优化空间，未来的优化可主要从以下几个方面进行。（1）建立完整的车门模型。本文设计建立的仅仅是轻量化中的必要模型，对车门限位器、门锁等车门附件并未涉及，因此模型会有不准确之处，若建立完整的车门模型，对轻量化过程可能会有更大帮助。（2）运用多种形式的优化方法，如材料优化、形状优化和多目标优化相结合的优化方式。本文受模型和时间限制，只对车门进行了拓扑优化对厚度的方面进行优化设计，仅仅是进行了初步优化，若采用多种优化方式相结合的方式，可以进一步提高优化效果。（3）采用更准确的优化边界条件。本文受电脑计算性能限制，抗侧撞梁的优化中直接对抗侧撞梁进行了动力学分析，而未对整个车门进行动力学分析，故优化过程中留有较大余量，可对此进行进一步优化。本文采用的边界条件参考不同车门边界条件折中选定，可能不够规范，若可以找到更规范的边界条件，也可进一步轻量化优化。参考文献.顾海明.轿车车门系统CAE分析及优化设计[D].哈尔滨工业大学范子杰.汽车轻量化技术的研究与进展[J].北京:清华大学，2019.1.王铁.基于LS—DYNA的车门防撞梁碰撞仿真分析[J].沈阳：沈阳理工大学，2017.11．唐涛.侧面柱碰撞条件下轿车车门抗撞性优化设计[J].湖南:湖南大学，2016.2.FengXiong.Lightweightoptimizationofthesidestructureofautomobilebodyusingcombinedgreyrelationalandprincipalcomponentanalysis[J].JilinUniversity,19May2017.高云凯.多目标优化在车门轻量化设计中的应用[J].上海:同济大学，2017.2.邓骏鸿.微型电动车车型概念开发及车门轻量化多目标优化设计研究[D].广州:华南理工大学，2016.1.郑会景.汽车侧面碰撞时成员骨盆损伤分析及保护研究[D].天津:天津科技大学，2018.3.王希杰.汽车侧面碰撞安全分析与优化[D].重庆:重庆理工大学，2018.5.康斌.国外汽车轻量化研究现状分析[J].武汉：武钢研究院，2019.4.王伟.汽车车门轻量化及侧面碰撞安全性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2019.6.NovitaSakundarin.Optimalmulti-materialselectionforlightweightdesignofautomotivebodyassemblyincorporatingrecyclability[J].Malaya：LembahPantai，4April2013.ULSACConsorti