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先进材料研究卷。（2012）383-390 PP 7418-7421
在线自2011 /月/ 22
copy;ISTP检索（2012）科技刊物，瑞士
DOI：10.4028/www.scientific.net/amr.383-390.7418
基于有限元法的轿车前车门模态分析
李阳1，a，刘永晨2，b
1交通运输工程学院，淮阴工学院，江苏淮安学院，中国
asunli0124@163.com
关键词-前车门；模态分析；有限元法；CATIA软件；HyperMesh
摘要。车门模态分析是获得车门动态特性的重要手段。为了分析车门的固有频率，避免与其他车辆结构振动源产生共振以及对降低交通噪音的要求，本文基于有限元分析法对一车的右前车门进行模态分析。首先，在CATIA中建立了车门的三维模型，然后导入到HyperMesh中进行网格划分，最后导入Nastran中，对其进行相关设置和计算得到门的7阶模态频率。通过振型图分析，车门刚度低的位置被发现可以用来为门的优化设计提供可靠的参考。
介绍。
汽车在行驶过程中，车门会受到发动机运转、路面不平度和高速风等振动源的影响而产生振动。如果振动源的激励频率接近于门的固有频率，还会发生共振，导致更高的动态应力从而引起强度破坏和产生大的变形，这是不允许的。因此，车门的固有频率和振型模态必须进行适当的分析计算从而提高车辆NVH性能，以及避免严重的振动和噪声。在CATIA中，基于施工参数建立一个右前门的模型，然后导入到HyperMesh，啮合后，导入Nastran建立分析模型。在门振形状的基础上找出低刚度位置，优化门体结构[ 1-6 ]。
有限元模态分析基本理论。
对于一般的多自由度系统，运动微分方程是：
（1）
其中M是系统质量矩阵，
C是阻尼矩阵，
K是刚度矩阵，
X是系统中各点的位移响应向量，
F是系统中的点激振力向量。
在模态分析过程中，f值为0，因为结构阻尼是较小的，对结构的固有频率和模态的影响不大，可以忽略。所以无阻尼自由振动方程为i：
（2）
在这里，phi;是振型矩阵。
门有限元模型的建立。
门实体模型。门转动铰链，安装在汽车的前部，以达到开启和关闭的目的。而外装门板、内板、上加强板、低加强板、门锁加强板、铰链加强板和铰链，受力由板料冲压而成，焊接在一起。门的总高度是1721mm，宽度是980mm，车门总质量是18.1kg。它的结构非常复杂，在门的参数的基础上，可以在CATIA中建立三维实体模型。
门有限元模型的建立。将门体模型的IGES格式导入到HyperMesh中。该模型应该进行必要的清理，修正某些缺陷，去掉不必要的细节，形成简化的有限元模型。设置钢材的下列性能为：弹性模量E等于200000 GPa，泊松比等于0.3，密度等于7800公斤/立方米。该门采用方形和三角形壳单元进行模拟，在适当简化原结构后，对车门模型进行网格划分。门的外观是以焊点的形式来处理的。该门的FE模型如图1所示。
图1。门体有限元模型图
门模态计算及结果分析。
门模态计算。将有限元模型导入Nastran，不进行任何的约束和载荷，进行自由模态分析，这样门的固有频率和振型可以得到。去掉前6种刚体模态，计算结果如表1所示，振型如图2所示。
表1。门固有频率
|
模态数 |
频率（Hz） |
|
1 |
31.3 |
|
2 |
38.8 |
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3 |
43.5 |
|
4 |
50.0 |
|
5 |
53.5 |
|
6 |
59.4 |
|
7 |
62.6 |
F1=31.3Hz F2=38.8Hz
F3=43.5Hz F4=50Hz
F5=53.5Hz F6=59.4Hz
F7=62.6Hz
图2。门振形状图
结果分析。
通常，车辆的运动激励，包括路面不平度和车辆的运动，都是低于20赫兹的垂直激励。发动机的主要激励频率大约是24赫兹，而门前第一阶固有频率为31.3赫兹；因此，没有能激发几个隐患的共振现象产生。
在图2中，从第一、第四、第五和第六步模式图中，在中间位置的刚度下的车门外板更容易发生变形。从第二和第三阶模态图中可以发现，外门板中部和内门板中间位置的刚度较弱。从第五个图中，外门板的窗口线位置的刚度较低也容易发生变形。从第七步图，即局部模式图中发现，外门板锁强度板的刚度较弱。在车门结构设计中应加强这些位置的刚度设置从而提高车门刚度防止变形。
结论。
车辆结构设计与优化在车辆开发中占有重要的地位。车门必须满足刚度和振动性能的要求。本文以一个右前门为例，计算其固有频率并对其进行模态分析。得出的结论是：车门不能与车辆的其他振动源发生共振，而且车门有一部分位置的刚度很弱，如有必要，应加强这些位置的刚度。基于CAE基础上的模态分析非常快速和方便，可为车辆性能分析提供参考。
参考文献
[ 1 ]雷明准，张峰丽，王建楠。基于有限元法的车门模态分析与优化研究。汽车技术，12（2008），4-7。
[ 2 ]杜黎平。门组件固有频率及振动模态分析。现代部分，7（2008），95-97。
[ 3 ]陈国华。计算和分析的汽车车门静态强度刚度的有限元法（FEM）。机械制造与自动化，12(2006), 21-24。
[ 4 ]徐杰、雷刚、曹建国。汽车车门点焊布局优化及仿真分析。重庆工学院学报（自然科学版），23卷（2009），25-28。
[ 5 ]刘继明，雷刚，廖琳青。汽车车门静刚度有限元分析。重庆工学院学报（自然科学版），22（2008），25-27。
[ 6 ]谢月青，雷宇橙。汽车前门结构特征的计算机辅助分析。力学学报，4（2002），539-542。
基于有限元法的车门结构设计
谭伟，王艳，李玲洋，张宇
1、华中科技大学，武汉，中国
2、东风汽车有限公司，LTD，武汉，中国
电子邮件L:dfac_cae@126.com
摘要—车门组件的性能对整车设计具有重要的意义。本文将有限元法应用于车门组件的开发过程中。利用有限元分析软件对某新型轿车车门总成的刚度、强度、模态特性和抗挤性能进行了计算和评价。对有限元分析后发现的结构问题进行了改进，最终达到了预期的车门结构性能指标。重点是利用强大的有限元分析软件对车门总成的性能进行预测，并对结构进行优化设计，达到设计指标。研究表明，该方法能有效地预测车门的设计性能。
关键词—汽车门，结构，强度，刚度，抗挤压，有限元模态
I.简介。
车门总成是汽车驾驶室的重要组成部分。表现为在进行车门的设计时应考虑刚度、强度和结构模态的影响，考虑这些的同时，还有一个要求是门的抗挤压方面。本文着重研究了有限元分析方法在车门装配开发过程中的应用，阐述了如何利用强大的有限元分析软件从各个方面对车门总成进行评价，并对结构进行优化设计，以满足所有设计目标。
一种流行的三维非线性动态显式有限元（FE）与先进的接触算法和材料模型的代码被成功地用来模拟在不同速度下的弹丸运动的影响的几种类型[1,2]。Augusto Cesar [ 3 ]用6-sigma工具开发了一个实验模型描述系统，他集中观察到后门前正常开启运行过程中的振动，从而对脆性结构有了更深的印象。A. Tuncer[ 3 ]构建了一个测试结构用来模仿车门和车身，得到在两个框架之间有密封实验和无密封实验结构的固有频率。
在本研究中，作者开发了一个车门设计方法。首先，在HyperMesh中建立车门模型。然后导入Nastran，在其中对边界条件进行确定。为此，构建了一个车门的有限元模型和通过在Nastran的优化工具箱确定的模型材料系数。Nastran101用于线性静力问题，nastran103用于结构模式。最后，通过Ls-dyna软件定义边界条件的有限元模型。
II.门结构有限元分析。
门的结构设计方案第一稿完成后（B2）、CAD数据应首先转移到数据可计算分析的有限元模型中，包括网格色散、材料定义、边界条件设置等进行分析和计算的第一个版本的有限元模型，包括四个性能指标，即模型状态，静态刚度、强度、抗挤压。
预处理过程中，网格形状的要求如下所示：
在有限元模型中，直径为6mm的点焊是在Hypermesh软件中进行接头处理的，这是根据现场的CAD三维模型坐标量焊缝焊层设置和所有现场焊缝一致公认的cweld元件连接器。胶可以通过连接器的区域功能来完成。最后采用八节点单元作为胶合单元。RBE3.是胶和面板之间的连接元素的存在。
在有限元模型计算，在NASTRAN中，四个节点Cquad4元作为壳元，Cweld元作为点焊单元。
在LS-DYNA计算模型、Belytschko Tsay的元素类型为壳单元、梁单元作为点焊单元。
- 静态垂直刚度分析。
自由的安装孔，上、下门铰链与门框固定的一端被限制在六个方向，使用NASTRAN 101求解器计算门的垂直变形和应力分布的加载情况下刚度。Nastran自动生成的关键词为*.op2的文件可在系统获得的应力和位移的结果。为了保证门在重力作用下的耐久性门的最大冯米斯应力应小于0.23 (sigma;s sigma;b) [ 1 ]。为了防止门永久变形与载荷发生385N锁门的最大冯米斯应力，材料的屈服强度应小于最大限度。
1）随着重力加速度的增加，计算门的最大垂直位移和门板上产生的应力，见图1。
2）在门锁施加385N垂直力，计算门的最大竖向位移和门上的金属片产生的应力，见图2。
图1。重力效应下的B2门变形
图2。B2门锁垂直载荷的分析结果
B.车门扭转刚度分析：
上、下门铰链的一端与门框固定的安装孔的自由度被限制在六个方向上，锁孔在y方向受限制。转矩M是应用在门锁中心孔的转矩，然后计算x轴上的最高节点和最低节点的偏转角度theta;1和theta;2，车门扭转刚度为Nm/°。
图3。B2的扭转刚度分析结果
C.门结构自由模态分析。
模态是机械结构的固有振动特性，各模态具有各固有的固有频率、阻尼比和振型。自由振动系统特性（固有频率和振型）的求解是求解矩阵特征值和特征向量的问题。在本文中，Nastran 103模态求解器求解门模态和提取前三阶模态的特征值和特征向量的模态。由于路面激励频率对车辆为0～20Hz，四缸直列柴油发动机怠速激励频率为f = 650/30 = 21.7hz，为了分离门的共振频率远离发动机和路面激励频率，第一阶模态频率的门组件至少大于21.6=30.5hz，由于车门附件的模态频率的影响，所以对车门钣金的模态频率应大于32hz，通过模态分析计算，得到该门结构的第一阶模态频率34.3hz，这能满足设计要求。
D.门侧挤压分析。
在车身和底盘挤压边的所有的连接点的过渡自由度在三个方向上受到约束，在反方向的车身裙部约束的自由度在Y方向；而且有一个半柱刚体，它的刃口半径为13mm；对柱轴线垂直；沿Y方向从外到内加载刚性柱直到压头的位移达到457mm，其移动速度不应超过12.7mm/s，所有的位移过程中应120秒内完成。
这一物理过程可以看作是
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