一、引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)設計的精細化與安全性要求不斷提高，車門作為汽車的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設計直接影響整車的使用性能與安全水平。因此，對車門進行精確的三維建模與力學分析具有重要的工程價值。本文以車門為研究對象，結(jié)合CATIA軟件進行三維建模，并基于有限元分析方法對其結(jié)構(gòu)性能進行評估與優(yōu)化，旨在探索一種高效、可靠的車門設計與分析流程。通過系統(tǒng)研究車門的結(jié)構(gòu)組成、建模方法及力學特性，為提升汽車整體設計水平提供理論支持與實踐參考。二、汽車車門結(jié)構(gòu)與建模方法（一）車門結(jié)構(gòu)組成與功能分析

車門是汽車車身的重要組成部分，也是車身制造中工藝比較復雜，生產(chǎn)成本比較高的一環(huán)。車門主要由外板、內(nèi)板、加強板（防撞梁）、門框（門梁）、鉸鏈、鎖扣等零部件組成，車門的主要作用是方便乘客上下車，因此需要保證車門具有足夠的強度和剛度以抵抗各種載荷的作用。車門在受到側(cè)向碰撞時，會將能量傳遞至車身B柱和門檻板，進而分散至整個車體，對乘員艙起到保護作用。同時，車門的隔音和密封性能也至關(guān)重要，良好的車門密封可以有效降低風噪、路噪和胎噪等，從而提升整車的NVH性能。此外，車門還涉及到車身的外觀，其形狀和線條直接影響到整車的美觀性和檔次感。本文研究的是一汽大眾ID.4CROZZ2021款中低配車型的車門，該車門屬于四鉸鏈外開式車門，主要由外板、內(nèi)板、A柱加強板、B柱加強板、門檻加強板、門框、鉸鏈、鎖扣等零部件組成。車門的具體結(jié)構(gòu)組成（二）車門設計要求與技術(shù)參數(shù)

車門作為汽車四大白車身子系統(tǒng)之一，它既是汽車側(cè)圍的重要組成部分，又是汽車內(nèi)部乘員空間的外圍界線，車門的設計質(zhì)量對整車的安全性、乘坐舒適性、密封性能等有著直接的影響。車門的設計要求主要包括功能性、安全性、舒適性、匹配性、輕量化等方面。車門的功能性設計主要體現(xiàn)在它的開關(guān)操作上，要求車門開啟和關(guān)閉方便、可靠、順暢，并且能夠保持良好的密封性能，保證乘客上下車的便捷性和舒適性，同時還要具備一定的結(jié)構(gòu)剛度以保證其安全性能。車門的安全性設計主要體現(xiàn)在對乘員的保護上，要求在發(fā)生交通事故時，車門能夠保持足夠的強度和穩(wěn)定性，防止因車門變形而導致的人員傷害事故。此外，車門還應具備防撞、防火、防爆等功能，以提高車輛的安全性能。車門的舒適性設計主要體現(xiàn)在乘客上下車時的體驗感上，要求車門開啟和關(guān)閉時動作流暢、無噪音，并且能夠保持良好的密封性能，防止車內(nèi)的溫度和濕度流失，從而提高乘車的舒適性。車門的匹配性設計主要體現(xiàn)在與車身其他部件的協(xié)調(diào)配合上，要求車門與車身的接縫處平滑、對稱，整體造型美觀大方，符合汽車的整體風格。車門的輕量化設計主要通過采用高強度、低密度的材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方式來降低車門重量，從而提高汽車的燃油經(jīng)濟性和加速性能。（三）CATIA建模軟件介紹

本論文采用的是法國CATIA公司開發(fā)的CATIAV5版本系列軟件。該軟件具有以下優(yōu)點：1.具有強大的三維造型能力，可以快速創(chuàng)建復雜零件模型；2.具有完善的參數(shù)驅(qū)動機制，可以方便地修改設計并保持歷史記錄；3.具有良好的開放性，可以與其他CAD/CAM/CAE軟件進行數(shù)據(jù)交換。具體來說，CATIAV5版本系列軟件主要由以下幾個部分組成：CATIAIndustrialDesign（工業(yè)設計模塊），主要用于創(chuàng)建汽車外觀模型和內(nèi)飾模型；CATIAAssembly（裝配模塊），主要用于創(chuàng)建汽車零部件裝配體模型；CATIAStructuralAnalysis（結(jié)構(gòu)分析模塊），主要用于對汽車零部件進行有限元分析和計算；CATIADrafting（制圖模塊），主要用于生成工程圖紙和BOM表。需要注意的是，不同版本的CATIA軟件功能有所不同，使用時需要根據(jù)具體需求選擇合適版本的軟件，并且需要掌握相應的操作技巧和命令語言。（四）建模流程與方法

本項目主要使用CATIA軟件進行車門三維數(shù)字化建模，并應用其中的工程應用模塊進行有限元分析。本文以某品牌國產(chǎn)車型的B柱缺失的右車門為研究對象，該車門的材料為57鋼，厚度為1.2。建模過程中，首先通過草圖繪制出外板、內(nèi)板、加強板等零件的展開圖，然后根據(jù)展開圖在CATIA中創(chuàng)建相應特征，完成單個零件的建模，接著將所有零件進行總成裝配，形成一個完整的車門模型。最后對車門模型進行網(wǎng)格劃分，設置邊界條件與載荷，應用結(jié)構(gòu)分析模塊進行靜力學分析、模態(tài)分析和碰撞分析，得到相應的分析結(jié)果。由于該車門為白車身車門，沒有覆蓋車身外部的塑料件和玻璃等，也沒有內(nèi)部的座椅、內(nèi)飾板等物件，因此本論文建立的車門模型為最基礎(chǔ)的車門結(jié)構(gòu)，不考慮附加的質(zhì)量。三、車門CATIA三維建模（一）車門外板建模

首先在草圖繪制模塊下建立XOY平面二維草圖環(huán)境，草圖環(huán)境建立的位置將決定后續(xù)所建實體的位置，草圖繪制工具欄草圖繪制工具欄中基本包含了草圖繪制所需的所有工具，其中一些隱藏的工具需要單擊顯示高級選項才能看到，如倒角圓工具等。草圖繪制的基本步驟是：第一步，選擇草圖平面，確定草圖繪制位置；第二步，選擇相應的繪圖工具繪制出所需要的形狀輪廓；第三步，完成草圖后，退出草圖環(huán)境，拉伸草圖得到實體。車門的外板主要包括前圍板、側(cè)圍板、頂板、門檻板等零件，由于這些零件形狀較為規(guī)則，且大部分為平面型面，因此可以采用拉伸、旋轉(zhuǎn)等基本的特征操作來完成其建模過程。具體建模過程（二）車門內(nèi)板建模

車門內(nèi)板主要是通過激光焊接工藝將不同位置的斷面形狀的鋁型材連接在一起，形成一個封閉的框架結(jié)構(gòu)。車門內(nèi)板的主要作用是提高車門的剛度，并且降低車門的重量，同時起到隔音、隔熱的作用。參照外板草圖繪制車門內(nèi)板草圖，主要考慮直線與圓弧的繪制，按照草圖繪制規(guī)則拉伸即可得到基準特征，車門內(nèi)板截面形狀車門內(nèi)板共有四條激光焊縫，分別是上頂邊框焊縫、下頂邊框焊縫、豎柱焊縫和防撞梁連接焊縫。參照草圖拉伸即可得到實體模型，車門內(nèi)板三維模型（三）車門加強板建模

本車型的車門加強板主要有上加強板、下加強板、立柱、B柱加強板等，材料為57。車門加強板主要作用是提高車門剛度和強度，保證車門具有足夠的安全性能。由于加強板厚度較厚，所以在建模過程中使用拉伸特征較多，以保證模型精度。首先將草圖置于側(cè)面B柱位置的加強筋所在平面，選擇“邊”作為草圖基準參照，繪制出加強筋的輪廓，拉伸得到B柱加強板主加強筋，如圖x所示；同樣的方法，分別繪制出各個平面的加強筋草圖輪廓，依次拉伸得到完整的B柱加強板，如圖x所示；同理，可以完成A柱加強板、門檻加強板、頂板加強梁等零件的建模，最后，將所有的加強板零件進行組合，生成車門加強板總成。（四）車門總成裝配

完成車門各零件的草圖繪制和特征建模后，將所有零件進行總成裝配，形成一個完整的車門結(jié)構(gòu)實體。本文研究的車門主要由外板、內(nèi)板、加強板、鉸鏈、防撞梁等零部件組成，在此僅展示主要的三大件-外板、內(nèi)板和加強板。由于外板、內(nèi)板和加強板是車門結(jié)構(gòu)中最重要的三個零件，為了提高車門整體剛性，增強其抗撞性能，需要將這三者進行精準定位并進行干涉檢查，確保無干涉后，依次添加前縱梁、門檻、B柱等其他零件，完成車門總成的裝配，在完成車門總成裝配后，可以將車門打開或關(guān)閉狀態(tài)進行切換，以便于后續(xù)進行有限元分析的網(wǎng)格劃分和仿真模擬。通過調(diào)整裝配體中各個零件的位置關(guān)系，可以更好地實現(xiàn)車門的功能和結(jié)構(gòu)要求。同時，也可以通過更改裝配體中的參數(shù)來實現(xiàn)對車門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。四、車門有限元分析準備（一）有限元分析理論基礎(chǔ)

有限元法是一種用于求解復雜工程結(jié)構(gòu)的科學計算方法，它是將需要分析的結(jié)構(gòu)離散化為一定數(shù)量的具有特定形狀的單元體，這些單元體構(gòu)成了整個結(jié)構(gòu)的有限元素，所以稱之為“有限元”。該方法的基本思想是通過將整體劃分為若干個簡單的部分，從而簡化問題的求解過程。在有限元分析中，通常會涉及到以下幾個基本概念：節(jié)點、自由度、單元和約束條件等。節(jié)點是指結(jié)構(gòu)中的一個點或者一組點，自由度是指節(jié)點可以移動的方向數(shù)目，單元是指一種基本的計算單元，它連接了相鄰的節(jié)點，約束條件是指對結(jié)構(gòu)施加的限制條件，例如固定端、鉸支座等。有限元分析的主要步驟包括建立模型、離散化處理、形成剛度方程組、求解和結(jié)果分析等。在建立模型時，需要考慮結(jié)構(gòu)的特點和受力情況，選擇合適的單元類型和網(wǎng)格劃分方法；在離散化處理時，需要將結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元，并確定節(jié)點之間的連接關(guān)系；在形成剛度方程組時，需要根據(jù)物理定律和數(shù)學原理，建立各個單元的剛度矩陣，并將其組合成整個結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；在求解時，需要求解形成的剛度方程組，得到節(jié)點的位移和應力等響應量；在結(jié)果分析時，需要對求解結(jié)果進行分析和解釋，并得出相應的結(jié)論和建議。（二）網(wǎng)格劃分方法

網(wǎng)格是劃分實體模型的重要環(huán)節(jié)，直接影響著后續(xù)計算的效率和精度，因此，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對有限元分析的結(jié)果有著重要影響。在CATIA中，提供兩種網(wǎng)格劃分的方法，一種是自由網(wǎng)格劃分，另一種是參數(shù)化網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分適用于外形特征復雜且曲面造型軟件難以處理的實體，如鑄件、鍛件等。參數(shù)化網(wǎng)格劃分是通過提取實體模型的參數(shù)特征，生成規(guī)則網(wǎng)格，適用于規(guī)則或近似規(guī)則的幾何體。對于車門這種具有復雜曲面的薄壁類零件來說，其特征滿足參數(shù)化網(wǎng)格劃分的條件，故采用參數(shù)化網(wǎng)格劃分的方法。參數(shù)化網(wǎng)格劃分主要包括四個步驟，分別是：劃分前準備、參數(shù)化特征提取、網(wǎng)格劃分參數(shù)設置和生成網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格前，需要先隱藏或者切除掉裝配體中與被分析對象沒有關(guān)系的零部件，使模型簡化，減少不必要的計算。然后，利用“提取”命令，提取出車門的殼體特征，此時，模型變成了一個空心的殼體。接下來，根據(jù)分析類型的不同，設置不同的網(wǎng)格劃分參數(shù)，最后，生成網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分過程。（三）邊界條件與載荷設置

邊界條件的設置主要是為了模擬車門在真實工況下受到的約束情況，在本項目中，車門鉸鏈安裝位置的約束是通過“固定”約束來實現(xiàn)的，即鉸鏈位置的三個自由度被約束。對于車門的載荷設置，主要考慮的是車門受到的重力載荷，也就是車門自重的影響，其他載荷如風載、載人等載荷不在本次分析范圍之內(nèi)。分別以車門上鉸鏈位置為基準點，建立X、Y、Z三個方向的坐標軸，然后以Z軸正方向為車門打開方向，以Z軸負方向為車門關(guān)閉方向。由于車門在關(guān)閉狀態(tài)時受自身重力的作用，所以以Z軸負方向施加128的集中力，作為車門自重的等效替代。另外，由于車門鉸鏈孔是長圓孔設計，所以在做分析時，要考慮車門在鉸接點繞垂直于紙面軸線旋轉(zhuǎn)的可能性，因此，在鉸鏈位置添加轉(zhuǎn)動約束。五、車門有限元分析與結(jié)果（一）靜態(tài)強度分析

靜強度分析主要用于計算車門受到載荷后的最大應力、應變和位移，以保證在極限載荷下不發(fā)生塑性變形或屈服。通過前處理設置邊界條件與載荷，并選擇合適的材料屬性參數(shù)，然后進行靜強度分析。本論文選取的材料為52，其材料屬性在進行靜強度分析時，車門整體結(jié)構(gòu)無異常，滿足設計要求。經(jīng)過分析計算，得到如下的結(jié)果，最大vonMises應力為178.9，小于材料的屈服強度，所以該車門結(jié)構(gòu)可以滿足基本的設計要求。（二）模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)固有頻率、振型和阻尼比等動力學特征的一種方法，主要用于分析結(jié)構(gòu)的振動特性。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的頻率響應，了解結(jié)構(gòu)在不同頻率下的動態(tài)行為，并且可以對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應和振動噪聲等問題進行分析和優(yōu)化。上圖x所示為車門模態(tài)分析過程，具體分為以下步驟：第一步：建立車門模型并進行網(wǎng)格劃分，導入邊界條件和載荷；第二步：檢查模型的自由度和約束，并進行模態(tài)計算；第三步：查看計算結(jié)果，提取所需的模態(tài)數(shù)據(jù)，如固有頻率、振型和阻尼比等；第四步：根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以改善其動態(tài)性能和舒適性。通常情況下，我們需要確保車門的固有頻率在其工作范圍內(nèi)不會與人體產(chǎn)生共振，一般前三個模態(tài)的頻率應該大于50，并且避免諧振頻率過低，以減少車門的震動和噪音。（三）碰撞分析

在汽車安全性能中，最嚴重、最受關(guān)注的就是發(fā)生碰撞時的乘員保護。一般情況下，車輛會經(jīng)歷正面、側(cè)面以及后面受到?jīng)_擊三種類型的碰撞。其中，側(cè)面碰撞是最為危險的，因為車門是側(cè)向開啟的，當側(cè)面受到碰撞時，車門很容易被打開，導致乘客無法及時逃離，造成人員傷亡。因此，對車門進行側(cè)面碰撞仿真分析是非常必要的。在CATIA中為車門建立好模型并進行網(wǎng)格劃分后，將導入由第三方計算軟件ADAMS制作好的車門碰撞模型，利用CATIA和ADAMS兩者之間的接口文件，將模型和邊界條件及載荷進行傳遞，最后運行該碰撞模型，即可得到相應的碰撞數(shù)據(jù)和結(jié)果。本論文中，為了驗證車門結(jié)構(gòu)是否滿足要求，我們選取了常見的柱碰工況作為研究對象，分別設置了100km/h的速度進行障礙物剛性碰撞和50km/h的速度進行障礙物可變形的碰撞，通過仿真模擬來驗證車門的強度和剛度是否達到標準要求，以保證在發(fā)生碰撞時能夠有效保護乘客的安全。（四）結(jié)果評估與優(yōu)化建議

經(jīng)過上述的靜強度分析、模態(tài)分析和碰撞分析，得出的結(jié)果如下。靜強度分析中最大應力和最大位移均在鉸鏈安裝區(qū)域附近，最大應力為173.2，遠低于材料屈服強度，最大位移為2.6，滿足4的要求。模態(tài)分析中，前三個固有頻率分別為8.01Hz,16.02Hz,23.98Hz，均大于20，且前四個振型幅值圖顯示，車門整體振動幅度較小，整體剛性較好。白車身碰撞仿真結(jié)果表明，門檻梁處的最大變形量為10.5，遠小于15的要求，同時鉸鏈位置處的最大壓力峰值為1200，小于1500的要求。綜上所述，該車門結(jié)構(gòu)可以滿足基本的設計要求，但在保證安全性的同時，還需要進一步減輕重量，因此，可以通過優(yōu)化設計來實現(xiàn)這一目標。六、車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標

通過上一節(jié)的有限元分析，得出該車門結(jié)構(gòu)在滿足強度和剛度需求的同時，其質(zhì)量也較大，為了減輕車門重量，降低汽車行駛過程中的油耗，同時提高乘坐舒適性，需要對車門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以達到輕量化的目的。車門的輕量化設計主要從兩個方面入手：一是改變材料，二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)。由于本課題僅對車門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，所以重點放在了優(yōu)化結(jié)構(gòu)上。車門優(yōu)化設計的目標是：在滿足車門的強度、剛度、耐撞性等安全性能的前提下，盡可能的降低車門重量，實現(xiàn)車門的輕量化設計。在進行車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，一般采用以下兩種方法：一種是基于經(jīng)驗的方法，根據(jù)設計者的專業(yè)知識和豐富的設計經(jīng)驗，對車門結(jié)構(gòu)進行修改和調(diào)整；另一種是基于數(shù)學優(yōu)化算法的方法，利用計算機輔助設計軟件提供的優(yōu)化工具，采用數(shù)學優(yōu)化算法對車門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。考慮到本文的研究對象為汽車車門，優(yōu)化設計難度較大，且沒有豐富的經(jīng)驗可供參考，所以采用基于數(shù)學優(yōu)化算法的方法進行車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。（二）優(yōu)化方案制定

在保證滿足車門靜態(tài)強度、剛度以及耐撞性的前提下，盡可能降低車門重量，因此以車門質(zhì)量作為目標函數(shù)，同時為了保證車門具有足夠的安全性能，需要對車門進行約束，約束條件可以為車門結(jié)構(gòu)的剛度和安全性。本文以2017款奧迪A6為例，在保持原有截面面積的情況下，對板厚進行優(yōu)化，將有限元模型中門檻加強板上部與下部的板厚分別由2.0和1.8統(tǒng)一為1.9，同時將鉸鏈加強板上的板厚由2.0統(tǒng)一為1.9。通過更改板厚使車門的剛度和安全性不會發(fā)生明顯變化，但可以使車門重量得到