汽车车身结构与设计课程设计题目基于ANSYS的轿车车门建模及有限元分析班级06机械设计制造及其自动化（现代汽车技术）姓名学号指导教师第1章车门结构及其简化模型1.1 研究对象研究对象是现代轿车普遍采用的整体式车门，前门门体。
简化的车门模型是一种假设，对这一假设进行基于ANSYS的有限元分析，检验该车门结构设计的合理性、可靠性以及是否满足各项技术性能的要求，为车门结构设计和优化提供思路和参考依据。
1.2简化原则和步骤原则：(1)尽量减小建模的复杂度；(2)尽量不引起结构的刚度改变。
步骤：(1)将对于结构刚度影响较小的附件除去，减少的重量用施加的力补上。
(2)简化复杂结构。
1.3 车门结构及其简化模型车门系统的组成：门体、车门附件和车门内饰件。
门体包括：内板、外板、加强板、抗侧撞梁、门框等，如图2-1所示。
图1-1 门体结构A－内板总成 B－外板总成 C－前门体总成1－外板 2－内板 3－前、后玻璃导轨 4－上、下铰链加强板5－抗侧撞梁 6、7－内、外板加强板1. 内板（如图1-1中2和图1-2中3所示）作用和要求：内板几乎是所有车门附件的安装体，是车门的重要支撑板件。
为了保证车门附件安装位置的精度要求和车门周边的密封间隙要求，车门内板应具有足够的刚度。
材料和制造：一般采用0.7～0.85mm的薄钢板拉深成形。
内板周边需冲压出凸边、加强肋或使用加强板焊于母板上。
简化：内板J平面上需冲压出各种形状的凸台、窝穴、手孔和安装孔等。
较大的孔一般会安装上其他装置，刚度并没有因为开孔降低很多，所以这里，直接将孔除去，为了加强J面的刚度，做了一个内凹。
采用厚度为1mm碳钢板。
简化后的内板如图1-3所示。
图1-2 内板、J平面和窗台截面1－车门外板 2－内、外加强板 3－车门内板 4－窗框a－玻璃厚度 b－腰线到玻璃的距离 c金属到玻璃的距离d－腰线上的点 e－内饰板厚度 f－内腰带梁截面宽a) 内侧视图 b) 外侧视图图1-3 内板简化模型(2)外板（如图1-1中1和图1-2中1所示）作用和要求：外形和制造的表面质量必须符合车身造型的要求；轻量化和侧面碰撞安全性又要求车门外板应具有足够的强度。
材料和制造：由厚度为0.65～0.85mm的薄钢板冲压成形。
简化：采用厚度为2mm碳钢板。
简化后的外板如图1-4所示。
图1-4外板简化模型(3)加强板（如图1-1中4、6、7和图1-2中2所示）作用和要求：用以提高附件安装部位的刚度和链接强度。
例如，在门体安装铰链和车门开度限位器或安装玻璃升降器底板等部件处焊有加强板，以便将较大的局部负荷有效地传到车门内板的较大面积上；又如，为加强车门腰线处车门窗台的刚度，以保证车门内、外板之间的装配关系，并使玻璃密封性良好，一般在车门窗台处内、外板的内侧分别焊装横向加强板，形成封闭或开口截面的内、外腰带梁。
材料和制造：1.2～1.6mm的钢板冲压成形，后焊接在门体上。
简化：内板加强板，采用厚度为2mm的碳钢板，焊接在内板外侧。
外板加强板，采用厚度为2mm的碳钢板，焊接在内板外侧。
铰链加强板，采用厚度为5mm的碳钢板，焊接在内板外侧。
简化后的加强板如图1-5和图1-6所示。
a) b) c)图1-5 加强板简化模型a)内板加强板b)外板加强板c)铰链加强板a)侧面视图 b)截面视图图1-6 加强板在内板中的布置 (4)抗侧撞梁（如图1-1中5和图1-7所示）作用和要求：现代轿车对于抗侧撞性能的要求。
材料和制造：可以是圆管，也可以是高刚度钢板冲压成形的异型截面梁，截面厚度在33～36mm 。
两端通过链接件焊接在门内板上。
简化：采用厚度为2mm 的碳钢板冲压而成，采用异型截面，焊接在内板上，如图1-8和图1-9所示。
图1-7 抗侧撞梁的截面形式1－抗侧撞梁 2－玻璃 3－门外板 4连接件图1-8 抗侧撞梁简化模型图1-9 抗侧撞梁在内板中的布置5)窗框（如图1-2中4和图1-10所示）车门结构按照窗框的形式，可分为无窗框结构、组装式窗框结构、整体式结构（如图1-10所示）和玻璃布置在窗框外侧的结构。
本文只研究现代轿车普遍采用的整体式车门。
作用和要求：玻璃密封条的布置和固定；刚度要求和密封性能的要求。
材料和制造：整体式结构的窗框的内、外板是分别与门的内、外板一体冲出的。
简化：将车门玻璃除去，本文不考虑玻璃的影响。
简化后的窗框如图1-11所示。
图1-10 整体式车门a) b) c)图1-11 窗框简化模型a)内侧视图b)外侧视图c)截面图车门附件包括：铰链和限位系统、锁和锁闩系统、密封系统、玻璃升降系统、外侧后视镜等。
铰链、锁和锁闩系统（如图1-12所示）作用和要求：整个车门的重量及任何作用在车门上的力，在车门关闭的状态下，是由两个铰链、门锁及固定在车身门柱上的锁闩系统来支承；而在车门打开时，则全由铰链支承。
实际车门的下垂，通常是由于在载荷作用下，铰链与车身或车门的连接部位发生变形所致。
材料和制造：现代轿车广泛采用合页式铰链，两个合页分别固定在车门和车身门柱上，合页之间用销轴定位和连接。
简化：采用合页式铰链。
车门的最大开度65°。
除去锁和锁栓系统。
简化后的铰链模型如图1-13所示。
图1-12 合页式上、下铰链图1-13 铰链简化模型1－车门合页 2－连杆 3－二力构件4－门柱合页 5－弹簧 6－铰链轴线简化的车门模型装配图如图1-14所示。
模型的轮廓尺寸如图1-15所示，详细的尺寸可以在ANSYS命令流中获得，这里不赘述。
图1-14 车门简化模型图1-15模型轮廓尺寸第2章在ANSYS中建立车门模型2.1 关于单位、正负和方向为了保证单位统一，列出本文所用到的所有单位，如表2-1所示。
后文各项数据将不再标出单位。
表2-1 单位正负和方向都取决于ANSYS中的坐标系。
2.2 单元类型的确定对于钣金件，比较适用的是shell（壳）单元，可以大大节省计算时间，而且可以达到较高的精度。
如果使用shell单元来做分析，那么必须以面的形式来建立车门装配模型。
笔者已经尝试过用面的形式来建立车门装配模型，但没有成功。
因为，车门零件之间的连接关系，在有些情况下不能用面之间的连接来实现。
因此，这里采用了solid（实体）单元，也就是用体的形式来建立车门装配模型，获得了成功。
2.3 建立车门模型的步骤(1)使用SolidWorks（下文简称SW）快速设计车门模型。
因为ANSYS中使用命令流的建模方法不利于快速设计，而一些其他公司的三维设计软件却可以做到。
笔者对于SolidWorks（下文简称SW）比较熟悉，所以使用它快速建立了车门简化模型。
在SW中通过调整、修改，确定了车门模型结构和尺寸。
然而，这一步并不是必要步骤，如果要对一款车门进行有限元分析，可以根据此车门的工程图纸，直接在ANSYS中建立简化车门模型。
由于这里并没有对实际的某一款车门进行分析，所以，要自行设计一款车门例子。
(2)ANSYS命令流建模，各种参数在SolidWorks中测量读取。
给钣金件建模，运用“抽壳”方法比较方便，但是ANSYS命令流中却没有这种方法，这给建模带来了难度。
笔者运用实体相减的办法得到了车门内板的复杂薄壁特征。
建模过程中，先建大实体，后建小实体，然后用大实体减去小实体，从而形成薄壁特征。
2.4边界条件的处理以车门下沉刚度分析为例来说明对于边界条件的处理，其他两项分析中的边界条件类似，这里不再赘述。
下沉刚度分析中的边界条件处理步骤：(1)铰链左合页、铰链右合页和铰链轴直接进行ADD（加）运算。
因为难以模拟出铰链两合页绕铰链轴转动的效果，所以直接进行ADD（加）运算，这样做对于车门下沉情况影响不大。
(2)所有零件进行GLUE（粘结）运算。
这样，所有零件将连接在一起，零件间可以传递载荷的作用。
同时，车门各零件的装配关系也就确定了。
有关边界条件处理的命令流见各个分析中划分网格的语句（主要是“vadd”和“vglue”命令）。
2.5 单元的划分事实上，以下的单元划分方面的设置，笔已做过多次实验并调整。
2.5.1 车门模型的材料车门模型的材料如表2-2所示。
图2-1表示出了车门材料的分配。
表2-2 车门模型材料注：其中，因为铰链的重量对结果影响很小，所以省略其密度。
图2-1 车门模型材料灰色－材料1 蓝色－材料2 红色－材料3 褐色(铰链)－材料42.5.2 车门模型的单元类型首选的是采用SOLID187单元，其精度较高。
SOLID187是一个三维高次10节点单元，有二次取代行为并且能很好地适合做不规则网孔模型（如来自于不同的CAD/CAM系统的模型）。
本单元有10个节点，每个节点有三个自由度：x、y、z 方向的平移。
本单元可能有任意的空间方位，有塑性、超塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应力性能。
该单元有模拟近似和完全的不可压缩的弹性材料的混合公式表示性能。
SOLID187的几何模型如图2-2所示。
图2-2 SOLID187的几何模型图2-3 SOLID285的几何模型但是，由于此车门原模型比较复杂，采用SOLID187时的计算量相对于个人电脑来说过大，所以只能降低精度，采用节点更少的单元SOLID285（几何模型如图2-3所示），这是四面体、4节点的单元，精度不高。
最终的选择是：采用SOLID187作为铰链的单元，因为铰链结构较简单，不会带来太大的计算量，而且铰链的精度很关键。
其他零件采用SOLID285单元。
表2-3列出了车门模型所采用的单元类型。
表2-3 单元类型定义单元和材料的命令流如下：/prep7et,1,solid285et,2,solid187mp,ex,1,206e9mp,prxy,1,0.3mp,dens,1,7.8e6mp,ex,2,400e9mp,prxy,2,0.3mp,dens,2,7.8e6mp,ex,3,600e9mp,prxy,3,0.3mp,dens,3,7.8e6mp,ex,4,2e13mp,prxy,4,0.32.5.3 网格划分设置采用Smartsize10级精细度为了降低划分难度，采用智能划分。
比起人工的划分，这种方法更加方便，并且划分的比较合理。
由于电脑硬件的制约，为铰链采用1级（最精细），其他零件采用10级精细度（最差）。
然而，精细度太低可能导致无法划分网格，所以在后面的分析中，一旦遇到这种情况，适当提高精细度即可解决。
单元形状和方式：四面体、自由。
由于采用了四面体单元，单元形状选择四面体。
由于采用了Smartsize，选择自由方式。
网格划分的命令流，四个分析均不同，这里不再给出，划分好的车门模型如图2-4～图2-11所示。
图4-4 门体图4-5 门体（隐藏外板）图4-6 内板窗框一角图4-7 铰链图4-8 内板加强板图4-9 外板加强板图4-10 抗侧撞梁 图4-11 铰链加第3章 车门下沉刚度有限元分析下文多次用到的关键位置：车门最后端上顶点Pos1，车门最后端下顶点Pos2，如图3-1所示。