汽车车门内板拼焊技术应用与分析

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焊点门内板铰链加强板内侧外侧收稿日期!!#基金项目!上诲市教委重点学科建设资助项目车门是轿车车身设计中十分重要而又相对独立的一个部件车门刚度不足会引起车门边角处的变形量过大引起车门卡死关闭力增大密封不严导致漏风渗水以及内饰脱落的现象随之产生车门的振动带来噪音极大地降低了车辆的乘坐舒适性造成零部件的疲劳损坏车门表面保护层的破坏从而削弱车门的拉腐蚀能力在车辆受到侧面碰撞时为了给乘员提供一个有效的生存空间车门的变形量必须控制在一定的范围内回此要求车门必须具备足够的刚度和强度中国国家标准中详细规定了轿车车门要符合的刚度和强度要求!车门焊装结构现状车门结构类型主要有整体冲压车门分体冲压车门框式车门和无框车门欧美车系主要用整体车门日韩车系多采用框式车门国内车门结构基本也是这两种车门冲压件分体车门和无框车门主要用在高档车和跑车上各种车门虽然结构有所不同但主要部件基本相同包括车门内外板防撞杆门窗玻璃铰链限位器门锁密封件等部分而车门内外板是主要的结构部分其中门内板基本有两种形式一种为整体式车门内板与铰链加强板焊接成见图还有一种是非整体式门内板与铰链加强板焊接而成见图本文所用车门模型为后一种在整车开发的概念设计阶段车门的主要性能指标已确定包括车门的静态弯曲与扭转刚度一阶模态拉H与拉撞性能等本文针对非整体式门内板为例介绍汽车车门拼焊应用技术图整体式车门内板马超陈道炯上诲理工大学机械工程学院上诲摘要!在分析汽车车门内板结构现状与拼焊板技术在车门制造上应用情况的基础上研究了车门内板拼焊性能与主要参数惜助有限元分析软件对拼焊门内板车门拼焊板与非拼焊板不同材料拼焊板与相同材料拼焊板的刚度性能模态性能进行了对比通过对计算机仿真模拟结果的分析为车门内板拼焊技术应用提出有益建议关键词!汽车车门内板拼焊技术有限元分析中图分类号!文献标志码!文章编号!!#$%汽车车门内板拼焊技术应用与分析$马超陈道炯汽挛挛门肉沥挪焊挽*!#$%!!汽车科技第!期!#年$$月图非整体式车门内板!拼焊板介绍拼焊板是指用不同厚度不同材质或不同表面淙层的平板材料焊接在一起而形成的冲压平板坯料拼焊板焊接方式主要有激光焊滚压电阻缝焊电子束焊接感应焊等离子焊和气体保护钨极弧焊等等目前汽车车身设计上广泛应用的是激光拼焊板它可将不同表面不同钢种不同厚度的钢板采用激光焊的方法组合成为一个毛坯件回此可以减少零件数目减轻构件重量现阶段拼焊板主要应用在车门内板柱前纵梁等部件上随着拼焊板技术的发展以及车身设计上对安全性和轻量化的要求其车身上的应用会越来越多本文惜助有限元分析软件研究了两种应用不同拼焊板的车门车门有限元模型车门有限元模型一般由车门外板车门内板防撞杆门框铰链组成不同车型有所区别普通门内板是由一缺等厚度的普通低碳钢冲压而成再焊上铰链加强板门内板与铰链加强板是分别冲压然后焊接拼焊板车门内板是用不同厚度普通低碳钢拼焊板或高强度钢与普通低碳钢拼焊板一次冲压而成即将门内板与铰链加强板做成一体一次冲压而成图为某车型普通前车门有限元模型内板与铰链加强板焊点部位用刚性单元连接图为拼焊板门内板的车门模型对于拼焊板在焊缝应变较低的情况下考虑焊缝和忽略焊缝两者模型的模拟结果相差不大所以拼焊板车门内板与铰链加强板焊点部位采用共节点形式且两种拼焊板车门铰链加强板厚度材料有所不同该模型用!对几何模型划分网格由个单元组成其中单元个单元个单元个铰链为单元焊点部位用刚性单元相连图普通车门有限元模型图拼焊板车门有限元模型#$拼焊板高强钢板厚度确定对于普通车门内板厚度可采用常规的力学分析与实验经验确定对于拼焊板中高强钢板的确定采用了等效应力法利用强度约束方程拉H性与拉撞性约束方程确定高强钢板厚度等效应力退化方程!!!!#!!式中!%!分别为局部最大等效应力和材料极限应力!$为待定系数常量为钢板厚度这至的待定系数常量!$!可以通过三次有限元计算解得考虑到拼焊板替换原始结构后零件强度不应降低必须满足!!!#!!!内侧外侧焊点门内板铰链加强板!#$%!!式中!!分别为原始设计中最大等效应力和材料极限应力拉H与拉撞性约束方程为!!!!!式中!为高强钢板厚度!为普通钢板厚度在对厚度进行强度条件约束时必须进行静态仿真计算以确定式中的未知常量参考文献中设定车门变形有限元分析中的边界条件设定静力分析边界条件为车门在铰链处定位器和门锁处固定情况下水平推力方向受均布载荷垂直受力方向受均布载荷当对拼焊板设计的车门内板进行计算时保持其他板厚度不变取铰链加强板的厚度分别为经过计算获得铰链加强板的局部最大等效应力依次为将上述数值和屈服极限代入方程通过解方程可得常数分别为如果将厚度值设为则方程计算值为而此时仿真值为计算值与仿真值的误差仅为也验证方程的正确性把#!!和!代入方程可得不等式!!!#如果将已知参数!!和!代入式可得拉H性或者耐撞性约束!!取!时可同时满足两式即可以同时满足强度拉H性和耐撞性设计要求三种拼装车门的参数第一种是普通的车门即门内板与铰链加强板分另…压好后焊接而成材料为普通低碳钢第二种门内板是相同材料的不等厚拼焊板…压而成材料与第一种相同第三种门内板是不同材料的不等厚拼焊板…压而成材料为普通低碳钢与高强低碳钢材料信息与厚度见表表表材料主要性能指标表不同形式车门内板厚度与材料拼装车门性能的对比分析矛恫有限元计算软件对拼装车门的各项性能进行仿真计算本文主要考察铰链加强板部分对车门内板性能的影晌车门的静压强度和碰撞性能主要是受车门外板和防撞杆影晌选恫拼焊板是采恫强度准则和拉H性与拉撞性准则选取静压强度和碰撞性能一般都能达到要求鉴于篇幅原回本文不再闺述仅仅研究拼焊板的使恫对刚度性能的影晌车门下沉刚度分析按照国家规定乘员体重的标准确定车门工况在车门把干处垂直向下加载在车门铰链处进行个自由度的全约束下沉刚度计算结果垂向位移与应力云图见图图图中从左到右分另是第一第二第三种车门三种车门的位移和应力云图基本相同最大位移和最大应力出现的位置是相同的最大位移出现在车门左上角最大应力出现在铰链加强板与铰链连接处但它们的位移和应力分布梯度有所不同表为三种车门仿真计算结果数据对比表三种车门仿直计算结果数据对比图三种车门下沉刚度位移云图加载力加载点位移刚度!最大位移残余变形最大应力第一种第二种第三种密度!弹性模量泊松比屈服极限普通钢高强钢第一种第二种拼焊板#第三种拼焊板#门内板铰链加强板门内板铰链加强板门内板铰链加强板厚度材料普通钢普通钢普通钢普通钢普通钢高强钢!#$%汽车车门内板拼焊技术应恫与分析!马超陈道炯!!汽车科技第!期#年$$月图三种车门下沉刚度应力云图通过表的结果对比可以看出使用高强钢拼焊板的车门下沉刚度明显减小原回是高强钢的强度虽然提高但弹性模量没变在弹性变形阶段位移与厚度还是线性关系所以在钢板厚度减薄的情况下下沉刚度明显下降对车门性能不利通过对三种车门铰链加强板变形量测量得知高强钢拼焊板的变形量明显大于前两种最大应力点的应力也随之增大对比三种车门结果可知位移增大主要原回就是铰链加强板变薄后变形增大造成车门扭转刚度分析测扭转刚度有两种工况工况约束车门铰链处除车门转动外的个自由度门锁处约束三个方向的位移自由度加载条件为在车门内板右上角加的!向力工况约束条件与工况相同加载条件为在车门内板右下角加的!向力工况三种车门!向位移与应力云图见图图图中从左到右分另是悍一悍二悍三种车门三种车门的位移和应力云图基本相同最大位移和最大应力出现的位置也相同最大位移出现在车门左上角最大应力出现在加力点周围的钢板拉伸变形处见表表三种车门工况下仿直计算数据对比图三种车门扭转刚度工况位移云图图三种车门扭转刚度工况应力云图工况三种车门!向位移与应力云图见图图图中从左到右分另是悍一悍二悍三种车门三种车门的位移和应力云图基本相同最大位移和最大应力出现的位置相同最大位移出现在车门左下角最大应力出现在铰链加强板上见表图三种车门扭转刚度工况位移云图图三种车门扭转刚度工况应力云图表三种车门工况下仿直计算数据对比结果对比可以看出使用高强钢拼焊板的车门扭转刚度减小工况最大应力点的应力变化不大主要由于局部几何特征造成的应力集中对铰链加强板厚度变化敏感不大工况应力增大较明显与最大应力出现在铰链加强板上有关与下沉刚度下降原回相同也是由于铰链加强板变薄后变形量增大使得扭转刚度降低最大应力增大车门弯曲刚度分析约束车门的铰链处除车门转动外的个自由度以及门锁处约束两个上下左右平动的个自由度在车门把干处加载垂直于车门所在平面的压力弯曲工况下三种车门的位移与应力云图见图图图中从左到右分另是悍一悍二悍三种加载力加载点位移刚度!最大位移残余变形最大应力第一种第二种第三种!!!!加载力加载点位移刚度!最大位移残余变形最大应力第一种第二种第三种!#$%!!车门三种车门的位移和应力云图基本相同最大位移和最大应力出现的位置相同最大位移出现在门把干处最大应力出现在门把干加力点周围见表6图三种车门弯曲刚度工况位移云图图三种车门弯曲刚度工况应力云图表三种车门弯曲刚度工况下仿直计算数据对比结果对比可以看出拼焊板的车门弯曲刚度减小由三种车门对比看出弯曲刚度减小原回并不是回为铰链加强板的变薄而是由于拼焊板与普通焊接板相比焊点部位变形量更小普通焊接采用点焊各焊点间存在较大间隙相比而言拼焊板由于采用激光焊接无间隙其性能必然忧于普通焊接车门模态分析本文对三种车门的模态性能也做了分析表为三种车门前阶的模态值对比可见本文研究用拼焊板对于车门模态影晌不是太大原回为三种车门结构相同而质量变化不大尤其前两种车门模态值基本相同第三种车门回为铰链加强板厚度的减小模态频率有所降低表三种车门前阶模态值对比结论车门刚度与强度是车门设计中的重要性能参数拼焊板的应用主要以强度作为设计目标高强钢板的厚度确定也主要由强度拉H性与拉撞性来确定回此难免会对刚度有所忽略拼焊板忧点很多对于减重提高焊接性能零部件整体化改善部件拉冲击能力等有很大作用但其成本较高工艺复杂应用高强钢的拼焊板由于厚度的减小拼焊板的刚度有所降低对于冲压件分体车门采用拼焊板对于减重和零部件整体化效果比较明显但必须在结构设计上对车门刚度和模态有所弥补对于整体式车门本身焊接部位并没有分体式车门那么多可采用拼焊板的位置也不多减重效果并不明显本文所用车门采用高强钢拼焊板后减重仅为而且拼焊板对刚度影晌较大设计时应多给予关注参考文献!陈炼杨继昌林忠钦.拼焊板在车身覆盖件制造中的应用.汽车工程.施欲亮朱平利用拼焊板结构改进车门内板的轻量化设计农业机械学报万德安.轿车车门刚度有限元分析及结构忧化.汽车工程贾宏波黄金陵郭孔辉等.汽车车身结构碰撞性能的计算机模拟评价与改进.吉林工业大学学报.张觉慧谭敦松高卫民等.汽车碰撞的有限元法及车门的拉撞性研究.同济大学学报自然科学版郝滇基于计算机模拟的车门下沉刚度改进设计及模态分析溯北汽车工业学院学报王宏雁.车门的轻量化设计.汽车工程.张继伟马迅郝滇基于计算机模拟的车门扭转刚度的分析及评价溯北汽车工业学院学报李淑慧林忠钦倪军等拼焊板在车身覆盖件冲压成形中的研究进展机械工程学报郝滇张继伟基于数值模拟的轿车车门静态性能综合评价及模态分析机械设计与制造.O.-~..-.&~.加载力加载点位移刚度!-l最大位移残余变形最大应力第一种第二种第三种阶阶阶阶阶阶第一种第二种第三种!#$%汽车车门内板拼焊技术应用与分析!马超陈道炯!!

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