《毕业设计》说明书 轿车车门设计与碰撞分析

摘 要车门是车身结构中一个较复杂的总成。随着社会的开展和汽车工业的繁荣，汽车作为一种交通工具，在人们生活中起着举足轻重的作用。汽车车身是整车的重要组成局部，而车门作为车身的一个重要组成局部，又发挥着它所特定的功能。因而对车门也有特定的要求，如开关方便，玻璃升降方便、具有良好的密封、制造工艺性好等。由此可见，车门结构设计对车身乃至整车都有重大的影响。本文运用CATIA软件进行车门各系统总成的设计与安装布置，并详细对防撞梁的耐撞性、抗弯性进行分析，并对其结构进行优化。运用LSDYNA软件建立侧面碰撞有限元模型，根据C-NCAP侧面碰撞法规要求，进行侧面碰撞CAE仿真模拟，为进一步结构优化奠定了根底。关键词：车门；结构；设计；侧面碰撞；计算机模拟AbstractCar body door is a more complex in the body structure. With the development of society and the prosperity of the auto industry, automobile as a traffic tool, in people life plays an important role. The car body is an important part of the whole vehicle, and the doors as an important part of the car body, and play with specific functions. So on the door also have specific requirements, such as switching convenient, glass lift convenient, with good sealing, manufacturing technology. Therefore, the doors of body structure design and the vehicle has significant influence.The use of software for each system CATIA the door of the design and installation arrangement and detailed to guard against the beams of the stamina to run, bent on analysis, and to optimize the use of its structure. The finite model for a certain automobile was created with the software LS-DYNA. According to the C-NCAP side impact rules the simulation analysis was finished，and it established the foundation for further structure optimization.Topic words：Car door；Structure；Design；side impact；computer simulation目录第一章 绪论11.1 车门研究的内容和意义11.2 汽车CAE技术21.2.1 CAE技术简介21.2.2 CAE技术在汽车产品开发中的作用2第二章 车门的总成设计和要求32.1 车门类型的选择3 车门结构的3D建模4车门结构总成5附件结构图6内饰结构图7第三章 车门附件的布置83.1 门锁的布置83.2 窗框结构确定及玻璃升降器布置93.2.1 窗框结构确实定93.2.2 玻璃升降器的布置103.3 车门铰链布置及运动校核13车门铰链轴线确实定15运动校核16车门运动间隙满足工艺性校核173.4 限位器布置及运动校核17限位器的布置173.4.2 限位器运动校核183.5 车门的密封193.5.1 车门的密封19车门密封系统的功能、性能要求20第四章 防撞梁的结构优化设计214.1 汽车防撞梁的比照选择214.2 汽车防撞梁碰撞性能的评价参数224.3 汽车防撞梁的耐撞性分析234.4 防撞梁的抗弯性与结构优化234.4.1 改变防撞梁的高度254.4.2 改变截面料厚30第五章 侧面碰撞仿真分析355.1 汽车侧面碰撞国内外研究现状355.1.1 国外研究现状355.1.2 国内研究现状365.2 C-NCAP 侧面碰撞测试方法365.2.1 侧面碰撞试验条件365.3 仿真分析模型建立375.3.1 整车侧面碰撞仿真模型建立375.3.2 仿真实例38第六章 结 论42参考文献43致 谢44附 录45第一章 绪论1.1 车门研究的内容和意义随着社会的开展和汽车工业的繁荣，汽车作为一种交通工具，在人们生活中起着举足轻重的作用。汽车车身是整车的重要组成局部，而车门作为车身的一个重要组成局部，又发挥着它所特定的功能。车门的结构型式很多，有旋转门，拉门，折叠门和外摆式车门。后两者主要用于大客车上。各类车的驾驶员专用门，货车及轿车车门，大多采用旋转门，开门时旋转方向可以是往前(顺开门)或往后(逆开门)，顺开门在行车中比拟平安。对车门的要求有：（1） 具有必要的开度，并能使车门停在最大开度，以保证上、下车方便。平安可靠，车门能锁住，行车或撞车时车门不会自动翻开。（2） 开关方便，玻璃升降方便。（3） 具有良好的密封。（4） 具有足够的刚度。不易变形下沉，行车时不振响。（5） 制造工艺性好，易于冲压并便于安装附件。（6） 外型上与整车协调。由此可见，车门结构设计对车身乃至整车都有重大的影响，随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车型的设计与开发，由于发动机、底盘设计制造技术根本成熟，新车型便主要表达在电子设备和车身造型的更新上。同时，为减少新车型的开发本钱、缩短新车型的开发周期、提高新产品的市场竞争力，全球各大汽车公司普遍实施了“平台战略Platform Strategy)，车身的开发便是该战略的主要组成局部。目前，在一种新车型的开发工程中，40的设计师和工程师是在从事与车身相关的开发。车身与汽车电子一起己经成为目前汽车整车产品中最活泼的因素。我国的汽车工业同兴旺国家相比仍然落后很多，归根结底就是因为车身技术的相对落后。因此，要大力开展我国的汽车工业关键就在于车身技术的开展。在新车型的开发设计过程中，如何判断车门结构的合理性及车门结构静、动态性能的优劣，并对车门结构设计进行优化，是一项十分重要的工作。由于车门的结构十分复杂，用经典力学方法很难得到精确的优化解，为了能够计算出车门的刚度和强度，往往对车门结构进行较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大。1.2 汽车CAE技术1.2.1 CAE技术简介随着科技的开展进步，产品在趋于多样化、智能化的同时，会不可防止地趋于复杂化。对于复杂的工程，人们都希望能在产品生产以前对设计方案进行精确试验、分析和论证，这些工作需要借助计算机来实现，即CAE(Computer Aided Engineering)。CAE是一个包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的综合过程，关键是在三维实体建模的根底上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最正确方案，或者直接进行设计优化。CAE技术主要包括以下三个方面的内容：(1)有限元法的主要对象是零件，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；(2)仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容；(3)优化设计的主要对象是结构设计参数。在CAE技术中，有限元法(Finite Element Method)是运用最成功，最广泛的一种数值方法。它的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规那么单元组合体。它将求解域看成是许多称为有限元的小的互相连接的子域(单元)组成，对每一单元假定一个适宜的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域的总的满足条件的解，从而得到问题的解。目前用于有限元分析的软件很多，如ADINA、PATRAN、NASTRAN、LDEAS、ANSYS等。1.2.2 CAE技术在汽车产品开发中的作用实践证明，应用有限元法对整车结构进行分析，可在产品设计初期对其刚度和强度有充分认识，使产品在设计阶段就可保证使用要求.缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，是提高产品可靠性、既经济又实用的方法之一。它在汽车设计及产品开发中的直用使得汽车在轻量化、舒适性和操纵稳定性方面得到改良和提高。第二章 车门的总成设计和要求2.1 车门类型的选择车门是车身上相对独立的总成，与车身组成一个有机的整体。因此，在车门设计过程中，应充分考虑结构要素的完整统一和与车身其它相关要素的协调匹配。车门有多种类型表21。不同类型的车门可分为车门本体、车门附件两局部。车门本体属白车身范畴，指作为一个整体涂漆、未装备状态的饭金焊接总成，包括车门内外板、加强板和窗框等，是实现车门整体造型效果、强度、刚度及附件安装的根底框架。而附件那么是为满足车门的各项功能要求，在白车身上装配的零件及总成，其中包括车门锁、铰链、限位器、玻璃、拉手、操纵钮、出风口、密封件及内外装饰件等，另外还有一些其它的在车门上装备的附件，如烟灰盒、扬声器、放物袋、限位块和行程开关等。车门的根本结构。表21 车门分类分类方式类型特点及常用车型开启方式旋转门用于大多数汽车折叠门多用于客车拉门多用于轻型客车结构整体式车门刚度好、质量高、随形性好分体式车门钣金件减小、材料利用率高、视野性能好窗框有窗框车门用于大多数汽车、可为独立窗框或整体式车门无窗框车门敞篷车、硬顶车、运动车使用旋转方式逆开门较少采用，仅为方便上、下车顺开门平安性好，车门误开时，不会因为气流作用吹开门，较常用上开门用于轿车和轻型车的背门，也用于低矮的汽车根据整车车身结构对车门结构的要求，采用轻量化设计、保证良好的视野性等因素，应中选择分体式结构。由于滚压窗框车门降低模具难度和本钱，极大提高材料利用率，而且门框细而均匀，有更大范围的视野。所以，本次设计采用的是分体式液压窗框车门。2.2 车门结构的3D建模左车门由钣金焊接总成、附件及内饰构成。总成构成如下表22所示：表22 左车门构成左车门构成钣金焊接总成附件内饰左前门焊接总成左前车门玻璃总成左前车门内护板总成左前门外板左前车门玻璃升降器总成左前车门开关饰板左前门里板焊接总成左前车门锁总成左前车门内开手柄护罩左前门里板左前车门内开手总成左前车门上饰板总成前门铰链安装板总成左前车门外开手总成左前门铰链加强板左前车门内挡水条左前门门锁加强板左前车门外挡水条左车门窗框总成前车门锁扣总成左前门防撞杆前门铰链总成左车门窗沿内加强板前车门限位器总成左车门窗沿外加强板前车门洞密封条总成左车门拉手盒支架左前车门防水膜总成前车门锁机构螺母板总成左外后视镜左前车门密封条总成根据以上车门的构成，基于CATIA软件完成车门设计的一些相关要求。主要通过CATIA中的零部件设计模块、曲面模块和DMU模块对车门进行设计仿真及运动校核，其结构图如下。2.2.1车门结构总成图21 左车门构成表23 左车门结构零件序号级次3左前门焊接总成14左前门外板4左前门里板焊接总成25左前门里板35前门铰链安装板总成45左前门铰链加强板55左前门门锁加强板65左车门窗框总成75左前门防撞杆85左车门窗沿内加强板95左车门窗沿外加强板105左车门拉手盒支架115前车门锁机构螺母板总成2.2.2附件结构图图22 附件结构图表24 左车门附件结构零件序号1左前车门玻璃总成2左前车门玻璃升降器总成3左前车门锁总成4左前车门内开手总成5左前车门外开手总成6左前车门内挡水条7左前车门外挡水条8前车门锁扣总成9前门铰链总成10前车门限位器总成11左前车门密封条总成12前车门洞密封条总成13左外后视镜2.2.3内饰结构图图22 内饰结构图表25 左车门内饰结构零件序号1左前车门内护板总成2左前车门开关饰板3左前车门内开手柄护罩4左前车门上饰板总成第三章 车门附件的布置3.1 门锁的布置门锁装置主要由锁体、内开机构、外开机构、锁止机构、挡块、定位器和缓冲器等局部组成。设计时，车门门锁装置应满足轻便、平安、锁止和强度等方面的要求。如图31所示，车门锁安装在车门钣金上，锁扣固定在车身侧围上，锁扣穿过车门内板与锁本体啮合。锁扣与锁本体的布置，需要参考铰链轴线，啮合时锁扣垂直啮合到锁体内。铰链中心线确定后，车门的开关运动轨迹即可确定，运动校核须检验车门周边与门洞是否干预，特别是车门前端是否与前立柱干预，并依此确定车门的开度。与门锁机构相关的运动件很多，有内外手柄、内锁按钮、锁芯、锁体、锁环及其相应的联杆等，它们的正确安装、使用、彼此干预情况对车门结构的影响和制约较大，也是车门布置设计的重要步骤。图31 门锁系统布置图功能要求：（1） 车门外开闭锁功能及防误锁功能，有全锁和半锁两档位置，在锁止状态下，内外手柄打不开车门，开锁时，车内用按钮，车外用钥匙，有的也设计保险锁；（2） 开闭耐久性10105 次；（3） 承受纵横向载荷能力，全锁时：纵向11110N ，横向8890N ，半锁时纵向4450N ，横向4450N；（4） 互开率：1000 种不同钥匙牙花数以上；（5） 耐惯性力：全锁状态承受3g加速度作用。3.2 窗框结构确定及玻璃升降器布置窗框结构、玻璃形状确实定及玻璃升降器的布置，是车门结构设计的难点和重要内容。3. 窗框结构确实定窗框结构和车门结构密切相关，车门结构形式不同，相应的窗框结构形式也不同。本次设计应选用液压式窗框。液压式窗框结构如下列图32。图32 窗框结构图表31左车门窗框结构零件序号左车门窗框总成1左车门上窗框2左车门前窗框3左车门前窗框下支架左车门后窗框总成4左车门后窗框内板5左车门后窗框外板6左车门后视镜安装板对液压式窗框的要求:1保证前后导轨平行；2作预弯处理。3.2.2 玻璃升降器的布置3.2.2.1 汽车玻璃升降器结构及特点我国于1981年推行了JB28828l?载重汽车用玻璃升降器技术条件?标准，在此标准的根底上，根据我国汽车玻璃升降器的制造使用及检测情况，并参照国际上有关的先进技术指标及数据，修改制定了汽车行业标准QC/T29026-91?汽车用玻璃升降器试验方法?和QC/T2902791?汽车用玻璃升降器技术条件?，并于1991年公布实施，该标准对于汽车玻璃升降器的根本技术性能及测试方法作了明确的规定。由于目前我国大量使用的主要为臂式玻璃升降器，其它类型特别是柔式玻璃升降器尚缺乏有关的技术资料和技术数据，故上述标准仅适用于臂式玻璃升降器。由于臂式玻璃升降器制造工艺相对简单，本钱低，目前我国80左右的汽车玻璃升降器采用臂式玻璃升降器。而柔式玻璃升降器从平稳性、运动阻力来说大大优于前者结构更紧凑，且安装和布置都较为方便，但目前我国关于柔式升降器尚无正式的国家标准。软轴式玻璃升降器在世界各种中高档车辆特别是轿车上已被大量采用，是一种比拟先进的玻璃升降器。近年来国内的引进汽车产品，如重汽斯泰尔、北京切诺基和南京依维柯等均采用这种升降器。目前已在国内一些汽配厂如北京汽车玻璃升降器厂、南汽随车工具厂、四川汽车厂附件厂等完成了有关软轴式玻璃升降器的生产工艺的技术开发(引进)，可提供国产化产品。随着其批量化生产水平的提高，亦可用于替代臂式玻璃升降器。由于汽车结构布局设计、制造本钱、制造技术的要求，手动推拉式的车窗调整机构仍为许多车辆采用。目前臂式及手动(机械式)玻璃升降器为主要使用类型，柔式玻璃升降器的应用尚限于引进车型，而电动式玻璃升降器应用较少。电动玻璃升降器在国外中高档车上应用已很普通，由于其结构复杂、本钱高、且国内小型电机产品性能不稳定，故目前在我国汽车产品中应用尚少。可以预见，随着我国汽车设计、制造水平的提高，电动玻璃升降器将越来越多地应用于汽车产品。目前我国汽车玻璃升降器产品的主要开展方向：a) 改良产品制造质量，提高使用可靠性；b) 提高零件通用性；c) 减小零件质量，使结构更加紧凑；d) 提高软轴式玻璃升降器生产水平。3.2.2.2 玻璃升降器的选择玻璃升降器是车门上主要附件之一它带动玻璃上下运动占据门内大量空间在选择玻璃升降器时应考虑以下因素车门造型特点车窗开口大小玻璃形状和安装方式此外一般要求选择的玻璃升降器最大行程比实际行程大些。现代汽车中最常用的玻璃升降器有交叉臂式升降器与绳轮升降器2种。交叉臂式升降器总体刚度好，对玻璃支撑区域宽，玻璃上升、下降过程中稳定性好，通过布置玻璃上升、下降过程蓄能装置“平衡弹簧可大大减少升降器滑动配合面的接触应力，提高升降器的运行寿命；缺点是运行中受到侧面因玻璃弧度引起交叉臂变形而产生的应力增加了运行阻力，且其本身质量比绳轮升降器大。绳轮式升降器可以适应玻璃弧面半径小于2000mm的车型(轿车为了美观，玻璃弧面半径或曲率半径通常小于2000mm)，运行时噪声低，主要元件是塑料件，占用金属少、质量轻，对减轻车门质量和车门铰链负担有利；缺点是支撑玻璃区域窄，玻璃上升、下降时假设两侧受力相差过大玻璃扭转与两侧导轨的摩擦力大增会被卡住，钢丝绳绕线复杂，假设松动那么容易相互缠绕脱轨而失效，钢丝绳如果润滑不好与导轨摩擦会增大，绷断几率很高，由于没法安装玻璃上升、下降过程蓄能装置“平衡弹簧，手动绳轮升降器转动手柄上升用力很大，而下降时玻璃下降太快手柄用力小，手感很差。综合上述2种升降器特点，门玻璃升降器为节约本钱及控制重量考虑采用绳轮式玻璃升降器，而且要求采用绳轮式玻璃升降器，前后玻璃导轨必须平行。3.2.2.3 玻璃升降器的功能要求（1） 操作方便，摇手柄力矩不大于2Nm；（2） 结构可靠，制动力矩足够，在臂杆滚轮处沿玻璃切线方向加300N 反力无逆转，在上升行程任意位置，玻璃下沉量不大于5mm；（3） 强度：上止点，在手柄上加负荷，各部位不扭曲，运动自如；（4） 寿命：4105次耐久实验，无异常。3.2.2.4根据玻璃面确定玻璃运动轨迹及玻璃导轨的设计现在确定的玻璃面为，圆半径为2638mm的圆柱面；玻璃的运动为螺旋线运动；螺旋线螺距P=4000mm。下面是该玻璃面的运动仿真，玻璃在运动过程中近似螺旋线运动，且偏差在0.15以内。图33 玻璃运动仿真3.2.2.5玻璃升降器与玻璃的安装玻璃及玻璃升降器的安装形式，如下列图：用7个螺栓固定在车门内板上。图34 玻璃升降器工作示意图3.3 车门铰链布置及运动校核车门铰链的设计是车门设计的一项重要工作，直接关系到车门能否正常开启。在铰链设计中，铰链中心线定位和铰链中心距是重要的设计硬点。铰链轴线一般设计成具有内倾角和后倾角。内倾角指铰链轴线在x=0平面上的投影与z轴之间的夹角，内倾角一般为04，见图35；后倾角指铰链轴线在y=0平面上的投影与z轴之间的夹角，一般为02，见图36。内倾角和后倾角都是为了使车门开启时获得自动关门力，也有个别汽车门铰链具有前倾角，但一般不会有外倾角。图35 内倾角图36 前后倾角1、铰链旋转中心确实定（1） 根据外外表及车门分缝确定铰链旋转中心；（2） 为保证运动间隙，车门铰链尽量离车门外外表近；为保证铰链的强度，车门铰链的跨距要尽量的大；（3） 车门绕铰链旋转的过程中，保证车门与翼子板的间隙在以上；（4） 根据外外表及这些约束条件，确定车门铰链的位置，确定旋转中心，车门旋转中心为向内倾2.25度，向前倾2.25度；两铰链跨距434mm，锁扣啮合点与铰链旋转中心距为11。2、车门翻转角度确实定（1） 车门翻转的角度需要满足人机，上下车方便性的要求；（2） 上下车方便性的人机要求为：下部空间大于250mm，上部空间大于650mm；（3） 如下列图所示车门旋转60度下部空间为381mm，上部空间为856mm，符合要求；（4） 翻开状态下门沿最低点比关闭状态下高14mm。图37 车门铰链开度铰链中心距确实定可参考车门长度，一般铰链中心距/车门长度=33%，或者更长。需要说明的是在布置铰链时，应注意在结构允许的情况下，车门上下两铰链之间的距离应尽可能大。为了防止翻开车门时与其它局部干预，铰链的轴线应尽可能外移，使其靠近车身侧面。3.3.1车门铰链轴线确实定确定铰链轴线其实就是合理地布置铰链。铰链是车门总成中的受力构件。当车门关闭时，车门上的承力件为门锁和铰链；当翻开车门时，车门的重力完全由铰链来承受。铰链轴线的布置会影响车门的开度、门柱的尺寸、以及车门开缝线的位置和形状。在布置铰链时，应注意以下几方面的问题。（1） 在结构允许的情况下，车门上、下两铰链之间的距离应尽可能大。（2） 布置铰链时，为了防止翻开车门时与其它局部干预。铰链的轴线应尽可能外移，使其靠近车身侧面。根据以上要求，我们来对S16车门铰链轴线进行确定：S16 车门左右是对称的，我们分析时只要分析一边的车门即可，此次分析主要分析左边的车门。左边车门铰链的位置在XOZ、YOZ 平面，其轴线的位置如下列图38 所示 XOZ 平面轴线位置 YOZ 平面轴线位置图38 铰链轴线位置经初步的铰链轴线运动校核显示，车门不会与铰链及翼子板产生干预，铰链轴线初步得到确认。3.3.2运动校核铰链中心线位置和中心距确定后，需要进行运动干预校核，这也在主断面设计中完成，可能出现的干预位置有前后门干预前门与A柱翼子板干预门与铰链干预等，在可能干预的位置取主断面，将车门延中心线旋转，即可一目了然，如图39。图39 门铰链运动校核3.3.3车门运动间隙满足工艺性校核将所有的误差都累计到铰链上的校核方法：车门铰链中心在一个长6mm宽4mm的长方形内运动，车门与周边零件不干预；如下列图所示，铰链轴心在最差的位置车门运动间隙为：；与周边零件没有干预。因此理论状态下定义车门与周边零件的间隙以上符合要求。图310 车门运动间隙3.4 限位器布置及运动校核3.4.1限位器的布置由于限位器的布置相对来说比拟独立，而且要保证与周边零件的平安间隙.因此.限位器的具体布置工作应该在车门其他附件布置根本完成后进行。限位器布置的输人条件：所用限位器的结构类型、车门铰链中心线位置、玻璃滑槽位罝、车门玻璃运动包罗面、车门内外蒙皮边界条件、密封面、侧围外蒙皮边界条件及车门内饰板边界条件等。布置限位器时应满足以下几点要求：布罝空间要求：为减小限位器的有效摩擦力，提高使用寿命，降低开发难度，一般要求限位器相对于铰链中心线的最小力臂尽量大，因此，限位器中心线应尽量远离车门铰链中心线，以增大限位器的力臂。在前期总体布置时，应考虑车门内外蒙皮之间的厚度能满足限位器布置的空间要求。与周边零件的平安间隙主要考虑：（1） 限位器最大开启角度比车门铰链开启角度小大约5左右。（2） 限位器旋动轴线与铰链轴线应平行。（3） 限位器在Z方向上的布置应尽量布置在上下铰链间或靠下的位罝。尽量在玻璃滑槽最弯处。（4） 限位器盒固定螺钉周围要有工具安装空间。限位器盒与车门玻璃包罗面、玻璃滑槽应有足够的平安间隙。（5） 限位器臂运动过程中与玻璃包罗面应有足够的平安间隙。（6） 限位器臂尾部运动过程中与内饰板应有足够的平安间隙。（7） 限位器臂运动过程中与内蒙皮焊接总成应有足够的平安间隙。（8） 限位器臂运动过程中与限位盒的夹角一般不大于8。（9） 限位器在车门内蒙皮上的安装位罝的钣金结构工艺可行性应考虑。现布置空间如下列图：图311 限位器结构限位器安装座固定在侧围上，滑盒安装在车门内板上，布置在车门上下铰链中间， 限位器旋转轴与车门旋转轴平行。3.4.2 限位器运动校核限位器运动仿真，分析限位器整个运动过程中与玻璃及玻璃导轨的间隙，要求最小间隙在10mm以上。车门关闭状态限位器与玻璃导轨最小间隙为20.5mm，如图312。车门运动到7度时限位器与玻璃导轨产生最小间隙10.5mm，如图313。整个运动过程中，限位器与周边零件的最小间隙为。图312 车门关闭状态图313 车门运动到7度3.5 车门的密封3.5.1 车门的密封车门密封包括车门整体与门洞之间的密封、车门玻璃与窗口之间的密封及内板与内饰板之间的密封等。为了能很好地起到密封作用，车门密封条的安装位置越靠外外表越好，但针对具体的结构，门锁处较容易处理，而铰链处受车门开关运动的限制，密封条一般安装在铰链内栅，为了保护铰链，在车门前端外侧设置密封结构件。除此之外，在车门门洞形成一圈止口密封，在门洞上沿，防止水直接滴到车内，再增加一道密封如图314。图314 车门密封结构3.5.2车门密封系统的功能、性能要求车门密封系统所包含零件一般在功能、性能和尺寸等方面具有如下要求：由于在工作中处于被反复压缩状态，因此，其材料在具备足够的常温环境拉伸强度、高温环境耐老化特性、低温耐脆特性。由于在工作中处于被反复压缩和摩擦，零件工作外表要求具备优良的耐摩擦性能，同时要求其具有较的低摩擦系数以确保系统的运动顺畅。一般在产品设计上，要求对工作外表进行植绒或喷涂低摩擦涂层以保证上述功能和性能要求。零件上用于压缩变形的工作部位，要求具有符合设计要求的压缩负荷，以确保开闭件操作力在控制范围内。制造工艺上广泛采用定截面挤出工艺、金属滚压一弯曲成型工艺、注塑接角工艺。截面必须具备一定符图性以确保其正常的工作变形，三维弯曲成型以及接角部位尺寸必须符合图纸、检具要求，以确保装配稳定正常。大局部零件在车辆上安装后暴露于外界，因此，其耐紫外线、耐臭氧等耐候性要求较高。为防止对车内空气形成污染，零件使用材料的甲醛含量、气味、总碳挥发量等方面必须符合相应标准要求。第四章 防撞梁的结构优化设计4.1 汽车防撞梁的比照选择侧门防撞梁杆，也叫车门防撞梁杆，是指在车门内部结构中加上横梁从外面并看不到，用以加强车辆侧面的结构，进而提高侧面撞击时的防撞抵抗力，以提升侧面的平安。据调查，在所有车的碰撞模式中，侧面碰撞占到1/3左右。因此，如何保护驾驶者在侧面撞击时的平安显得尤为重要。车门防撞作为一种额外吸能保护，可以降低乘员可能遭受的来自外部的力量。事实证明，车门防撞梁在车辆撞击固定物体比方树木时的保护效果非常明显。依据美国国家公路交通平安管理局NHTSA发布的数据，车门防撞梁在2002年拯救了994名事故受害者。车门防撞梁常见的形式有钢管防撞杆和帽形防撞杆两种，目前日韩系车型中常用钢管，而欧美系车型常用冲压的帽形防撞杆，而国内自主车型根本都还是用钢管，少量车型开始尝试使用帽形防撞杆。相对于钢管防撞梁，帽形防撞梁更是具有以下一些方面的优点：（1） 圆管防撞杆接触面积小，防护空间小于帽形防撞杆，对乘客易形成伤害。（2） 圆管防撞杆在断裂处有可能形成尖角，对乘客平安有隐患；而帽形防撞梁接触面积大，在断裂处不会形成尖角。（3） 在正面碰撞中，圆管防撞杆太强，有可能会锁死车门，而帽形防撞梁那么不会，同时帽形防撞梁可以传导局部能量；帽形防撞梁在正碰可以传导局部能量。（4） 圆管防撞杆是直杆，不能按车门弧度设计，所以一般其靠车门较远；而帽形防撞梁可以根据车门弧度进行设计，更好的利用车门内空间，同时使防撞梁靠车门板更近，也就能更早更好的发挥其吸能的作用。（5） 热处理圆管防撞杆的焊接性能比拟差，在侧碰过程中可能发生支架脱落或者管子焊缝发生失效，吸能效果大大降低；双相钢1000DP或者马氏体钢1200M的碳当量很低0.15%左右，其制造的帽形防撞梁使用传统的焊接方法点焊、MAG、激光、高频焊等均可到达满意的焊接效果。（6） 热处理圆管防撞杆必须在两端焊接支架，后期过程相对复杂先将管子焊接到支架上，然后焊接到车身上，过程本钱加上材料本钱包括管子及支架后的总本钱相对较高；而帽形防撞梁是直接点焊接在车门内，两端不需支架。（7） 在同等质量同等强度的前提下，圆管防撞杆包括两端的焊装支架和帽形开口截面的防撞梁所能吸收的能量大致一样。不过帽形防撞杆到达载荷峰值时的溃缩量小于圆形防撞杆，也就是帽形防撞梁在侵入量少的时候会吸收更多的能量，这意味着将更少的能量传导给其周围的零件A、B柱、车门槛等，这样就更早、更好地发挥了防撞梁的作用，更大程度地保护了乘客舱空间。综上所述，通过两种防撞梁的比照可知，本次设计选用的是帽形防撞梁。并且针对帽形防撞梁的优缺点进行优化改良。使其具有更加平安的性能。4.2 汽车防撞梁碰撞性能的评价参数防撞梁在受刚性柱撞击过程中主要产生弯曲压溃变形，其结构设计要在设计原那么的指导下进行，为具体评价防撞梁结构的耐碰撞性能，研究人员针对设计原那么提出了许多评价指标，其中最常用的吸收的总能量E及变形过程中的撞击力峰值F。1、吸收的总能量E防撞梁在受刚性柱撞击的情况下吸收的总能量由下式计算：式中：F(s)撞击力，s变形位移。显然防撞梁在相同位移内吸收的能量越多，碰撞性能越好，对于乘员平安越有利。由FMVSS214中的侧门强度的静态试验中的规定可知，6inch(152mm)纵向位移是一个临界位移，超过这个位移侧门就会接触司乘人员，就可能对司乘人员造成伤害。故将152mm位移时吸收的能量作为评价防撞梁碰撞性能的一个重要指标。2、撞击力峰值F由FMVSS 214中的侧门强度的静态试验中的规定，在06inch阶段内门的平均反作用力不能低于10.01KN。车门在受刚性柱撞击时，其受到的瞬时的总撞击力是不变的，假设防撞梁承受较多的撞击力，车门其它部件承受撞击力就相应减少。撞击力峰值的提高，会带动平均撞击力的提高。防撞梁的撞击力峰值F一般出现在结构刚开始产生屈曲时，即临界状态，由结构的弹塑性屈曲决定。防撞梁撞击力峰值越大，车门刚度就越强，车门耐碰撞性能就越好。故将撞击力峰值作为评价防撞梁碰撞性能的另外一个重要指标。4.3 汽车防撞梁的耐撞性分析在侧面碰撞过程中，车辆不像在发生正面碰撞时，前部结构有很大的缓冲区，可以吸收碰撞的能量。车辆侧面结构离驾乘人员距离较近，无法像正面碰撞那样有效的吸收碰撞能量。故作为车门防撞梁，其主要作用就是在侧面碰撞发生时，有效的起到抗撞吸能和分散传递撞击力的作用。4.4 防撞梁的抗弯性与结构优化横力弯曲时，弯矩随着截面位置变化变化，一般情况下，最大正应力max发生于弯矩最大截面上，且离中性轴最远处，由下式计算，其中抗弯截面系数W=，那么上述公式可写成假设把弯曲应力的强度条件改写成可见梁能承受的与抗弯截面系数W成正比，W越大越有利。另一方面，使用材料的多少和自重的大小，那么与截面面积A成正比，面积越小越经济，越轻巧。因而，合理的截面应该是截面面积较小，而抗弯系数W较大。为了增加防撞梁的抗弯能力，又要满足轻量化要求，改变防撞梁截面形状，以提高其耐碰撞性能。本设计主要从改变防撞梁的高度和截面厚度来增加防撞梁的抗弯能力，并进行如下分析。选取防撞梁的截面为双U型，中间做加强筋处理，对其截面进行优化。如下列图41所示，料厚为1mm。图 41 最初选择截面用CATIA测量功能测得该截面的惯性矩如下列图所示：重心及重心惯性矩一目了然。图 42 惯性矩测量4.4.1 改变防撞梁的高度为了增加防撞梁的抗弯能力，首先进行改变防撞梁的总高度。可以从两个方面进行改变：a、改变总高度。为了考虑防撞梁的重量及空间位置，把总高度增加1mm、2mm，观察其抗弯能力的变化。b、通过改变中间加强筋的上下来增加防撞梁的抗弯能力。1、改变总高度1防撞梁总高度增加1mm时，观察其抗弯能力的变化。图 43 增加防撞梁的总高度为1mm测得其惯性矩如下列图。图 44 增加1mm后的测量结果2防撞梁总高度增加2mm时，观察其抗弯能力的变化。图 45 增加防撞梁的总高度为2mm测得其惯性矩如下列图。图 46 增加2mm后的测量结果防撞梁高度改变对抗弯截面系数的影响如下表所述。表41 防撞梁高度的增加对抗弯截面系数的影响截面面积10-4m2惯性矩10-9m4重心mm抗弯截面系数W原始高度总高度增加1mm总高度增加2mm由表41可以得出，增加防撞梁的高度，抗弯截面系数随之增加，同样防撞梁的抗弯能力随之增强。2、改变中间加强筋的上下1加强筋增加2mm时观察其变化，如下列图。图47 加强筋增加2mm图48加强筋增加2mm后的测量结果2加强筋增加4mm时观察其变化，如下列图。图49 加强筋增加2mm图410 加强筋增加4mm后的测量结果对于上述两种情况防撞梁的抗弯能力的改变如下表所示。表42 通过改变防撞梁中间加强筋的高度对抗弯截面系数W的影响截面面积10-4m2惯性矩10-9m4重心mm抗弯截面系数W中间加强筋增加2mm7.792中间加强筋增加4mm通过比照，可以发现最后一种截面的抗弯截面系数最好。4.4.2 改变截面料厚通过增加料厚来增加防撞梁的抗弯能力，本次设计在原始料厚为1mm的根底上分别增加0.2mm、0.4mm、0.6mm来改变防撞梁的抗弯能力，结果分别如下。1料厚为1.2mm时，重心惯性矩的改变，如下列图所示。图411 2料厚为1.4mm时，重心惯性矩的改变，如下列图所示。图412 3料厚为1.6mm时，重心惯性矩的改变，如下列图所示。图413 综上所述，随着料厚的增加，防撞梁的抗弯截面系数越大，抗弯能力就越大。对上述测量结果汇总表格如下：表43 增加料厚对抗弯截面系数的影响料厚mm面积10-4m2惯性矩10-9m4重心mm抗弯截面系数W1.00000通过表格，可以得出料厚为的抗弯截面系数最大，所以防撞梁的抗弯能力也就最大。通过对表42、表43进行比照可以得出，增加截面料厚对增大抗弯截面系数W的效果是很明显的。但是受制于防撞梁布置空间、材料本钱、以及减重方面的考虑，选取1.6mm厚的钣金材料为佳。第五章 侧面碰撞仿真分析5.1 汽车侧面碰撞国内外研究现状5.1.1 国外研究现状汽车的碰撞平安性问题是世界汽车工业面临的一大难题，国外对于侧碰的研究那么是从上个世纪八十年代才开始真正兴起，主要集中在以下几个方面：侧面碰撞试验台的研究、车身结构的耐撞性研究、侧碰中乘员响应及伤害指标的研究、碰撞生物力学的研究、侧面碰撞试验法规的研究及乘员约束系统及平安内饰件研究等。1、侧面碰撞试验台的研究侧面碰撞试验台大致分为两种类型：第一类只有一个台车的试验台，Heidelberg型是其中比拟典型的一个。原理是假人置于座椅上，座椅固定于能水平侧向移动的滑车，初始状态为假人与滑车一起加速至碰撞速度，然后滑车在短时间内速度减到零，惯性作用下假人在座椅上作侧向移动，与固定在座椅上的侧壁障发生碰撞。此类型的试验台其实更适合于模拟二次碰撞对乘员的伤害，对于侧面碰撞而言，车门、B柱等发生侧向变形和位移直接与乘员接触造成乘员的伤害，因而它不能很好地模拟侧面碰撞中车门与乘员之间相互作用以及能量的转移。第二类试验台，即两个台车的试验台。其中L.M.Morrie.Shaw设计的试验台能够较好的重现侧面碰撞，根本原理是一运动的撞击滑车撞向静止的目标滑车，座椅及假人固定在目标滑车上，连接车门与目标滑车的吸能器用来模拟侧面碰撞中能量的转移；另一种Douglas. Stein设计的试验台能比拟准确的模拟真实碰撞中车门、座椅与假人之间的位置关系。此类试验台都能很好的模拟真实的侧撞情形，对于研究侧面碰撞乘员约束系统配置尤其是侧撞气囊的安装有重要的指导意义。2、车身结构的耐撞性研究车体耐撞性研究包括车身结构特性、车身材料(高强度钢、超轻钢及特殊材料)、能量管理、波形控制等方面的研究，以寻求改善车身结构抗撞性的方法，在保证乘员平安空间的前提下，使得车身变形吸收的碰撞能量最大，从而使传递给车内乘员的碰撞能量降低到最小。车身结构的耐撞性研究通常采用实车碰撞和计算机仿真相结合的方法。5.1.2 国内研究现状1989年清华大学汽车系首先建立了国内第一个简易的实车碰撞试验台并进行了一些探索性的车辆碰撞试验研究，取得了较好的效果，在国内汽车工业界造成了一定的影响。随后，中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所、国家交通部公路交通工程综合试验场，上海汽车检测所等单位也先后建立了汽车碰撞试验设施，国内的汽车碰撞试验研究工作蓬勃开展起来，尤其是在政府部f in定了强制性的汽车碰撞平安法规后，各汽车生产厂家更是加紧了对汽车碰撞平安性的设计与改良的研究工作。在汽车碰撞的仿真研究方面，国内近年来也开展了一些工作，如1997年5月，清华大学汽车系裘新等人利用简化的车辆模型实现了某轻型车的前碰撞仿真模拟；1998年10月，长春汽车研究所贾宏波等人完成了“红旗牌轿车车身前碰撞的仿真计算，吉林工业大学、中国汽车技术研究中心等单位相继在计算机仿真方面开展了研究工作。北京理工大学、上海同济大学、长沙湖南大学等都相继完成了轿车车身或轿车整车的碰撞仿真研究工作，这说明我国汽车碰撞的仿真研究已进入到实用性阶段。2002年5月30日，奇瑞轿车在天津国家汽车检测中心完成“国内首次汽车侧面碰撞试验，各项指标均优于欧洲标准。这是我国汽车工业史上第一例“侧面碰撞案例。本次汽车侧面碰撞试验的成功，说明我国已具备开展侧面碰撞平安性评价的试验能力。5.2 C-NCAP 侧面碰撞测试方法 侧面碰撞试验条件C-NCAP侧碰试验如图51所示。图51 可变形移动壁障侧面碰撞试验根据GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护进行侧面碰撞分析可知，汽车可变形障碍壁的纵向垂直中心平面与通过试验车碰撞侧的前排座椅R点的横向平面一致，误差在25 mm 内。汽车可变形障碍壁在碰撞时的速度应是501 km/h。该速度应在相碰前至少0.5 m 处稳定下来。在驾驶员位置放置1个ESII型假人, 用以测量驾驶员位置受伤害情况。侧面碰撞试验评价指标：侧面碰撞中，一般通过测量B柱对应假人各部位的侵入量及侵入速度考查车身结构。5.3 仿真分析模型建立 整车侧面碰撞仿真模型建立在Hyper Mesh软件中建立整车侧面碰撞有限元模型，图52所示。1材料定义根据提供的材料清单，选择各零部件的材料及其厚度，假设是软件的材料库中没有的材料，可以通过用户自定义。LS-DYNA软件库中有200多种类型材料可供选择。车身板金件一般选用LS-DYNA软件库中的MAT24材料；定义成刚体的发动机、变速箱等采用MAT20材料；BEAM单元用MAT100号材料。2 连接定义根据连接形式的不同而采用不同的单元模拟连接。常采用的连接方式有点焊、线焊、胶粘、铰接。车身板金件一般采用:梁单元(BEAM)模拟，螺栓孔采用RBE2单元模拟，构件之间的运动副采用Joint单元模拟，减振器、转向管柱弹性组件用DISCRETE单元模拟。3接触的定义LS-DYNA中在Contact中定义接触非常简单。需要定义的接触有：整车自接触CONTACT AUTOMATIC SINGLE SURFACE；整车与BEAM之间的接触CONTACT TIED SHELL EDGE TO SURFACE OFFSET；整车与MDB的接触CONTACT AUTOMATIC SURFACE TO SURFACE 。4其它条件在Hyper Mesh的Initial Velocity中定义初速度，定义移动壁障初速度为50km/h即/s，在DATABASE卡片中定义力及传感器的输出，在CONTROL卡片中定义时间步长及计算时间等等。图52 整车侧面碰撞有限元模型 仿真实例将建立的碰撞有限元模型导入LS-DYNA求解器中进行计算，由于车辆碰撞的过程非常短暂,一般为几十毫秒,因此本文只计算了150ms的碰撞响应。通过CAE仿真计算可知，在0ms时，移动壁障与车辆开始接触；20ms时车体发生轻微变形；60ms时车体变形最大，侵入量到达最大；80ms时车体变形根本停止，此时车身结构会有一定程度的反弹，碰撞根本结束。汽车不同时刻变形情况如图53所示0ms20ms60ms150ms图53 整车侧面碰撞变形图为了考查碰撞过程中乘员生存空间情况，测量了B柱对应假人各部位以及下端门槛处的侵入量及侵入速度。侧围B柱中点入侵距离如图54所示：图54 B柱左右两侧中点距离由图可知，在侧碰发生0.05s时，随后B柱有一个反弹过程。侧围的入侵速度如下列图所示：车门内板入侵速度:8.1 m/s图 55 车门内板入侵速度车门外板压缩变形量，如下列图所示：图56 车门外板压缩变形量由图可看出，在侧碰发生0.05s时，随后有一个小幅回弹过程。侧碰结果如下表所示：表51 结果比照计算结果法规要求B柱最大侵入点距Y0平面距离400mm侧围最大侵入点的速度10m/s综上，侧碰分析结果中两个评价指标均满足参考设定目标，认为可以到达GB20071-2006的要求。第六章 结 论本次设计为A00级电动轿车车门设计及侧碰仿真分析。由于考虑轻量化设计，降低模具难度和本钱，极大提高材料利用率，而且门框细而均匀，有更大范围的视野。所以，本次设计采用的是分体式液压窗框车门。对于各主要附件的布置如下：（1） 车门门锁装置应满足轻便、平安、锁止和强度等方面的要求。车门锁安装在车门钣金上，锁扣固定在车身侧围上，锁扣穿过车门内板与锁本体啮合。锁扣与锁本体的布置，需要参考铰链轴线，啮合时锁扣垂直啮合到锁体内。（2） 本次设计采用的是液压式窗框。保证前后导轨平行，并作预弯处理。（3） 门玻璃升降器为节约本钱及控制重量考虑采用绳轮式玻璃升降器。（4） 车门铰链的布置。主要考虑车门是否能够正常开启与关闭。要求车门开启角度为60，下部空间为381mm，上部空间为856mm。翻开状态下门沿最低点比关闭状态下高14mm。车门铰链中心线确定只需保证门不会与铰链及翼子板产生干预即可。并对其进行运动校核，结果为，铰链轴心在最差的位置车门运动间隙为3.8mm，与周边零件没有干预，符合要求。（5） ，符合要求。本次设计主要针对车门防撞梁结构的抗弯能力进行优化。选择帽形防撞梁，对其进行耐撞性分析，总结出改变防撞梁的高度和截面厚度来增加防撞梁的抗弯能力。得出高度越大抗弯能力越强；中间加强筋越高，抗弯能力越强；随着料厚的增加，防撞梁的抗弯截面系数越大，抗弯能力就越大。所以，最终选择防撞梁为1.6mm厚的钣金材料为最正确。根据GB20071-2006汽车侧面碰撞的乘员保护进行侧面碰撞分析，建立有限元模型，测量了B柱对应假人各部位以及下端门槛处的侵入量及侵入速度。B柱左右两侧中点距离的最大入侵量为3.3mm。车门内板入侵速度为8.1 m/s。车门外板最大压缩变形量为69.6mm。由于侧碰分析结果中两个评价指标均满足参考设定目标，认为可以到达GB20071-2006的要求。综上所述，本次设计根本到达预期的任务和要求。参考文献1 尹绥玉车辆侧面碰撞移动变形壁障系统研制J20212 王海亮等车辆侧面碰撞性能评价与提高策略J2021 3 吉林大学汽车工程系汽车构造M北京:人民交通出版社,20214 宋晓琳汽车车身制造工艺学M北京:理工大学出版社,20065 王 阳汽车实车碰撞试验方法探讨J汽车技术,2001 6 黄金陵汽车车身设计M北京:机械工业出版社,7 贾宏波等汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟、评价与改良J1998 8 Kentaro Sato， Akihide Yoshitake and Yoshihiro HosoyaFEM Simulation to Estimate Crashworthiness of Automotive PartsJSAE Paper 9823569 HEINZ HEISLERAdvanced Vehicle TechnologyReed Educational and Professional Publishing Ltd. 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