CAE分析在汽车尾门结构设计中的应用
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来源：《智能制造》 2017年第3期
    撰文/ 郑州日产汽车有限公司技术中心 李梦帆 兰天亮 王少伟
    一、引言
    在汽车车身设计中车门的设计是比较复杂的，尤其是尾门的设计。因为车门不仅要满足一定的强度、刚性和抗凹性，还要满足人机工程、感官质量等要求。对尾门而言，由于使用了气弹簧装置，使得其相对左右侧门而言更加复杂一些。但是，随着CAE 技术的快速发展，这些性能都可以通过CAE 软件来模拟分析，使设计者可以客观地评价设计结果，为产品的结构优化提出改善方向，缩短产品的设计开发周期、节省设计开发费用。
    本文以CAE 在某车型尾门结构设计中的具体分析为例，简述CAE 在汽车尾门结构设计中的具体应用。
    二、CAE 分析在汽车尾门结构设计中的应用
    本文利用Hyperworks 软件对尾门总成（不含尾门铰链）采用壳单元进行网格划分，可得41940 个单元，42661个节点。在焊点处作RBE2 SPIDER 连接，约束1-6 自由度。尾门内外板粘胶处作一层solidmap 实体单元，尾门总成质量为21.36Kg。尾门的有限元分析模型如图1 所示：
   
   
    1. 尾门自由模态分析
    （1）约束和加载。未施加约束和载荷，为自由模态。
    （2）分析结果。通过计算可知相对基型车而言，改型后尾门的扭转和弯曲模态频率比基型车有较大提升，但是局部模态基本没能提高，但满足设计要求（＞ 30Hz）。
    改型前后的模态对比结果如表1 所示，相关的分析云图如图2 所示。
   
    （3）由以上分析云图可以发现，尾门在牌照板安装特征的下部和上部较弱（如图3 中红圆圈处所示），因此为改善其模态特性，在此3 处增加3 片补强胶片。
   
    2. 尾门扭转刚度分析
    （1）约束和加载。约束：在尾门铰链及门锁处施加约束，限制123 自由度。加载：在门锁处施加100N·m 的Z 向扭矩。约束和加载模型，如图4 所示。郑州日产汽车有限公司
   
    （2）分析结果。通过计算可知：扭转刚度1，加载点的Z 向转动位移R3=4.797E-03，其扭转刚度为：
    K6=1e2/4.797e-3=20846.36Nm/rad=363.7N·m/°扭转刚度2，尾门左下角位移为1.812mm，尾门右下角位移为-1.819mm，两者相距1192.906mm，扭转角度为：
    arctan((1.812+1.819)/1192.906)=0.174°
    扭转刚度为：
    K=100/0.174 Nm/° = 574.7N·m/°
    分析云图如图5 所示。
    （3）通过分析可知，改型后的尾门刚度稍低，但是因造型原因，只能通过增加尾门内外板厚度、局部加强和合理布置减重孔等措施进行提高。
    3. 尾门全开时的自重分析
    尾门全开角度为88.5°，并由气弹簧支撑，分析尾门在自重作用下的结构情况。
    （1）约束和加载。约束：在尾门铰链及撑杆处施加约束，限制123 自由度。加载：对尾门总成施加1 倍的重力载荷。约束和加载模型如图6 所示。
   
   
   
    （2） 分析结果。通过计算可知， 最大应力约为45.7MPa，仅出现在气弹簧处的局部区域，满足设计要求。分析云图如图7 所示。
    尾门在自重载荷下，结构的变形情况如图8 所示，其最大变形点的位移为0.458mm。
    （3）通过分析可知，改型后尾门在自重载荷下可以满足设计要求。
    4. 尾门关闭时的受力分析
    （1）约束和加载。约束：在尾门铰链及门锁处施加约束，限制123 自由度。加载：在气弹簧与尾门连接处，沿气弹簧方向施加742N 的力。约束和加载模型如图9 所示。
   
   
   
    （2）分析结果。通过计算可知，尾门关闭时的最大应力位于门锁安装处，为135MPa。结构最大变形点位移为1.03mm。分析云图如图10、图11 和图12 所示。