摘 要

本文借助有限元分析软件Ansys Workbench软件首先对某轻型货车门内饰板的性能要求及模态进行了静力应变分析和模态分析。根据静力分析和模态分析所得到的应变云图与门饰板性能的要求进行分析比对，并根据分析比对的结果对门饰板进行轻量化设计。轻量化设计方式主要为对门饰板板件进行减薄，通过减薄的方式来降低门饰板的质量。在对门饰板进行轻量化设计后，再次对其进行分析校核，门饰板在轻量化设计以后，门饰板依然符合在最大应力的施加下，最大形变量在性能要求所允许的形变范围以内。

论文主要包括利用Ansys Workbench对门饰板模拟分析及利用三维模型软件CATIA对其进行轻量化设计的全过程。

本文的特色：利用有限元分析软件对门饰板进行模拟分析，并对门饰板进行轻量化设计优化门饰板结构。

关键词：门饰板；轻量化；模态分析；有限元分析

Abstract

In this paper, the finite element analysis software Ansys Workbench software is used to first analyze the static strain analysis and modal analysis of the performance requirements and modes of a light truck door trim panel. According to the requirements of static analysis and modal analysis, the strain cloud image is compared with the requirements of the performance of the door trim panel, and the door trim panel is lightly designed according to the result of the analysis comparison. The lightweight design method is mainly to reduce the thickness of the door trim panel by thinning the door panel. After the lightweight design of the door trim panel, it is analyzed and checked again. After the lightweight design of the door trim panel, the door trim panel still conforms to the deformation range allowed by the maximum deformation force under the maximum stress. Within.

The paper mainly includes the whole process of using the Ansys Workbench to simulate the door panel and use the 3D model software CATIA to lightly design it.

The characteristics of this paper: the finite element analysis software is used to simulate the door trim panel, and the door trim panel is lightly designed to optimize the door trim panel structure.

Keywords：door trim panel；lightweight；modal analysis；finite element analysis

目 录

目 录 1

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

第 2 章 门饰板模型处理 3

2.1 CATIA软件介绍 3

2.2 门饰板总成介绍 3

2.3 门饰板模型处理 4

2.4 本章小结 5

第 3 章 门饰板性能要求 6

3.1 门饰板性能要求 6

3.2 门饰板模态分析 9

3.3 本章小结 9

第 4 章 原门饰板强度分析 10

4.1 ANSYS软件介绍 10

4.2 有限元分析基本原理 10

4.3 有限元分析的基本步骤 11

4.4 门饰板有限元模型的建立 11

4.5 门饰板边界条件的确定 12

4.6 门饰板静力学分析 13

4.6.1 门饰板扶手位置Z向刚度分析 13

4.6.2 门饰板主储物袋抗拉强度分析 14

4.6.3 门饰板主储物袋抗压强度分析 15

4.6.4 门饰板刚度分析 16

4.6.5 门饰板上边沿垂直刚度 19

4.7 本章小结 20

第 5 章 门内饰板的轻量化设计 21

5.1 轻量化设计简析 21

5.2 基于尺寸优化的门饰板轻量化设计方案 21

5.3 轻量化设计后门饰板强度的校核 22

5.4 本章小结 28

第 6 章 总结与展望 29

6.1 总结 29

6.2 展望 29

参考文献 30

致谢 31

绪论

汽车轻量化是未来世界汽车发展的必然趋势之一。根据相关试验显示，汽车总质量每降低 10%，能够将汽车油耗降低约 6%~8%，汽车排放量降低4%。同时汽车轻量化能够直接使汽车的比功率提高，使汽车的动力性能增强。 通过汽车轻量化的技术能够有效减小油耗、降低排放和提升汽车的安全性。通过Ansys对模型进行模拟静力分析，根据分析的结果，与门内饰板性能要求的规范进行对比，然后通过对门内饰板模型的厚度进行修改，然后再通过Ansys对其进行校核。本文充分利用计算机辅助工程CAE来对门内饰板模型进行静力结构分析，来对模型进行结构以及性能上的优化。

研究背景及意义

轻型货车是一种小型运输车辆，按照货车分类的国家标准定义为：车长不多于6m，汽车总质量不大于4500Kg。由于轻型货车的便利性和灵活运输的能力，轻型货车占据了商用车市场约百分之二十的份额。汽车内饰是汽车的重要组成部分之一，是人与汽车直接进行接触的重要结构。汽车内饰是驾驶员及乘客在使用车辆过程中给直接看到、接触到的部件。汽车内饰的品质和外观直接影响到消费者对汽车的评价，因此汽车内饰的设计及制造工艺水平对于整个汽车来说是至关重要的。

门饰板主要是由本体、上饰板、嵌饰板、扶手、装饰件、地图袋及相关紧固件构成^{[4] [6]}。随着汽车产销量的增加，能源安全和排放问题成为汽车产业面临的重要问题，为了更好地解决能源问题和排放问题，轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，减少汽车自身质量是汽车降低燃油消耗率及减少排放的有效措施之一^[8]。随着低碳经济和绿色节能环保经济的发展,整车的轻量化设计成为各大汽车企业所关注的热点课题,其中门饰板作为内饰的重要系统,其轻量化设计也得到越来越多的关注和研究^[1]。基于现代汽车CAE模拟技术,选取某一车型的汽车门饰板,结合测试碰撞标准^[2][3]。通过CAE对门饰板的整体结构设计进行评估,通过对模拟分析结果的解读,改善门饰板的局部结构强度,从而对其进行轻量化设计^[5][7]。

国内外发展现状

汽车在刚刚诞生时，汽车整车的外部形式与结构和马车相似。当时，汽车主要的购买者和消费者主要是各大权贵和富商。汽车厂家为了满足权贵们展现贵族身份的要求，汽车内饰的材料一般采用名贵的木制产品，在设计上放置真皮椅座以及在内饰上镶嵌贵重金属和珠宝。随着汽车进一步的发展，汽车内饰的布局开始形成雏形，功能上也形成了分工较为明确的功能分区，但依然主要起到装饰功能^[9]。

在20世纪70年代，由于石油危机的出现，汽车开始向多功能的实用性方向发展。汽车内饰设计简约、保守，向实用可靠的方向发展。在上世纪90年代初，随着全球经济的发展，人的思想也越来越开放，人们开始追求更加充满个性，更加多元化的设计风格。随着计算机的发展，越来越多的计算机技术被应用到汽车设计当中^[10]。利用计算机辅助技术，设计师可以更加自由的选择造型上的设计形式而不用过分考虑技术上是否可行。因此，在这时期内汽车内饰设计造型多变，设计风格总体上表现出曲线化的整体趋势，在外观上更加饱满圆润^[11]。另一方面，人们也更加注重汽车内饰的设计，内外饰的设计内容和所涉及的学科门类也更加丰富和多样化^[12]。内外饰各个组成部分的风格和它们之间的相互匹配使对设计师的要求也变得更加严格，设计师在设计时要精准把握设计细节和美感，设计语言要求与外形设计相匹配，同时自身又不失鲜明的风格和特点，内饰设计师在设计时不仅要考虑造型设计的同时，还要保证所做出的产品在使用过程中的触感、手感、舒适性和可视性以及驾驶者心理感受等方面协调^{[13] [14]}。

在现代汽车设计中，为了应对越来越大的市场竞争压力和展现品牌优势来吸引消费者，各大车企和配件厂商在汽车内外饰设计研发中，投入越来越多的精力力求创新和突破。当今消费者再看中汽车动力性的同时，在保证功能性和耐用性的同时，对汽车内饰的安全、节能、环保、油耗等方面提出了越来越高的要求^[15]。因此，汽车内饰板的轻量化也不断被提上日程。

门饰板模型处理

CATIA软件介绍

CATIA软件是有法国Dassault System公司（达索公司）开发的CAD/CAE/CAM一体软件，它的全称是Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application。CATIA V5主要围绕数字化产品和电子商务继承概念进行系统结构的设计，可为企业建立一个针对产品整个开发过程的数字工作环境。在此次设计过程中，主要运用到了CATIA中的实体模块和曲面设计模块。CATIA曲面造型（Surface Modeling）是CATIA的重要组成部分之一，随着计算机技术和数学方法的不断发展，曲面造型技术也逐渐产生和进一步的得到完善。曲面造型是计算机辅助设计技术中的重要一环，其功能主要是用来研究计算机图像处理系统的环境下对曲面的设计、处理及分析。

门饰板总成介绍

门饰板总成通常包括侧门护板（右前门饰板、左前门饰板、右后门饰板以及左后门饰板）和内三角块（前门内三角块、后门内三角块）。本文主要研究左前门饰板的轻量化。

门饰板总成的设计目的是为了覆盖车门钣金件，与汽车其他内饰相协调，为驾驶员及乘客提供一个舒适、安逸的驾驶和乘坐环境，并且提供给驾驶员和乘客控制车门、车窗的功能，为驾驶员和乘客提供一定的储物空间，方便驾驶员和乘客放置地图、钥匙等杂物。并且提供一定的保护功能，在发生意外时，门内饰板要保证具有吸收一定能量的作用，减少或避免由于碰撞变形对驾驶员和乘客造成的伤害。

门饰板主要组成部分有：上饰板、中饰板、装饰条、扶手、门饰板本体、地图带以及扬声器面罩。这些组成部分各有各的功能和作用和要求。这些零件相互配合共同组成门饰板为乘客和驾驶员服务。其中部分主要零件功能如下：

（1） 门饰板本体 门饰板本体是门饰板的主要部分，为其他部件提供安装基体，覆盖车门钣金，并在其上布置隔音棉，减少传递到车内的噪声，为驾驶员和乘客提供一个舒适、安静的环境。

（2） 上饰板 主要起到装饰作用，表面覆盖柔软舒适的材料，与仪表盘系统及其它系统保持风格一致，提高车辆的美观性和观赏性。

（3） 中饰板 中饰板是门饰板的重要组成部分之一，位于扶手与门饰板本体的侧向接触部分，主要用来装饰门饰板和为胳膊提供舒适的依靠休息空间。在某些设计中常将扶手与中饰板设计成一体，表面同样覆盖舒适的装饰材料。

（4） 地图带 地图袋一般位于门饰板的下部，与门饰板本体共同形成一定的空间为驾驶员和乘客提供空间来储物，方便驾驶员和乘客存放水杯、地图等小杂物。

（5） 扶手 提供给驾驶员和乘客可以停靠胳膊的休息空间，并且方便驾驶员和乘客开关车门，是门饰板必不可少的一部分，有时在扶手上会有一定的小拉手盒，可以存放钥匙、打火机等小杂物。

（6） 扬声器面罩 氧气面罩通常位于汽车门内饰板的下方，位于地图袋的一侧，在将音响声音传递出去的同时，起到装饰门饰板的作用。

门饰板模型处理

为了方便在后续轻量化设计中简化对现有门饰板模型强度的计算，必须利用CATIA 软件对模型进行处理。处理前的模型如图1.1所示

图1.1 门饰板本体

在后续利用Ansys对其分析时，既要精确模拟门饰板在安装状态下的状态，又要简化计算，因此将门拉手和扶手进行简化，并将其安装在门饰板本体上。利用CATIA的曲面处理模块的填充和拉伸功能成功完成了这一目标。处理之后的模型如图1.2所示

图1.2车门内饰板建模

在简化完成后，将其转化为.stp格式文件，以便ANSYS进行分析。

本章小结

本章简单介绍了CATIA软件的实体模块和曲面模块的功能，同时介绍了门饰板总成的组成和功能，并对门饰板各组成部分的功能进行了介绍。通过利用CATIA的功能对门内饰板模型进行了简化和部分缺口进行了填充修补，并门内饰板模型进行了格式转换，为后续的 ANSYS分析做了准备。

门饰板性能要求

门饰板性能要求

本文选用了本企业对门饰板的性能要求和实验方法，作为对现有门饰板的强度评估的标准。性能和实验方法如下：

1. 乘客扶手位置Z方向的受力

扶手是为乘员提供胳膊休息空间的重要部位，为了保证乘员在使用扶手时，扶手能供提供可靠的支撑，在受到乘员垂直方向的压力时，不会发生影响舒适性的形变，不会对门饰板造成变形破坏。考虑到在使用过程中，乘员利用肘部向扶手施压，因此需要对其进行试验。利用十毫米的压头，在扶手的中部分别施加50N、100N的力，施加面积为直径为10mm的圆，允许变形量小于等于3.5mm、6.5mm。门饰板与车身钣金在受力的情况下仍可保持正常链接。

1. 固定的车门主储物盒的刚度

在储物盒使用过程中，除了保证在存放物体时，保证具有足够的强度。还要避免乘客在使用过程中通过拉扯地图袋的方式来进行开关门的动作，为了在这种情境下，乘员的拉扯地图袋的动作对门饰板地图袋造成破坏，必须对门饰板的抗拉强度进行测试和分析。

将门内饰板总成按实际装车状态安装在门板总成上，车门板总成固定在专有夹具上，以保证加载时车门板总成不发生移动，模拟门饰板总成装配在完整汽车上的条件。在主储物盒上边缘、开启长度中间位置分别施加100N和200N的拉力，受力面积为10mm*20mm的矩形面，拉力和压力的方向与门饰板垂直，允许变形量分别为10mm、20mm。

整个实验结束后，对门饰板进行观察，地图袋无明显可见变形、破裂，地图袋与门饰板总成依然保持完整的链接，无使用功能上的缺失，且无明显的永久变形。

图2.1门饰板主储物盒抗拉实验变形测量

图2.2门饰板主储物盒抗压实验变形测量

具体性能要求为：

图2.3门饰板主储物盒变形量要求

1. 门饰板刚度

乘员在开车门时，有时会利用门饰板上部的某些部位进行施加推力，来达到打开车门的目的。因此要保证乘员在利用这种方式开启车门时，乘员对车门施加的推力对门饰板不会造成变形、破坏。因此要对门饰板上部均匀6个点进行强度测试。

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