基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析
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［4］ 王宏雁． 车门的轻量化设计［J］． 汽车工程，2004，（ 3） ： 349 － 353．
［5］ 傅志方，华宏星． 模态分析理论与应用［M］． 上海： 上海交通 大学出版社，2000，（ 7） ．
［6］ 陈永新，袁海龙，SRV 白车身模态及其对车内噪声影响的研 究［J］． 汽车技术，2007，（ 5） ．
using software HyperMesh． The finite frequency as well as vibration types was gained． Besides，the waist stiff-
ness and frame stiffness analysis were also carried out，so as to provide theory basis for car door development in
Abstract：
WANG Zeng － wu， JIN Xiao － xiong， HE Jian － feng
（ Tongji University，Shanghai 201804，China）
A finite element model of the left front door of a car was set up to carry out the modal analysis
［7］ 庞剑． 汽车噪声与振动 － 理论与应用［M］． 北京： 北京理工大 学出版社，2006，（ 6） ．
［8］ 韩旭，朱 平． 基于刚度和模态性能的轿车车身轻 量 化 研 究 ［J］． 汽车工程，2007，（ 7） ．
Mode and Stiffness Analysis of Car Door Based on FEM
Ritz 法 + 分片函数，就是说有限元法将函数定义在 简单几何形状，并不去纠结于定义域中的复杂边界 条件，这个是有限元方法越来越受到关注的根本原 因所在．
图 7 第二阶振型云图（ 一阶弯曲 + 外板局部）
图 4 框架刚度分析边界条件
图 8 第三阶振型云图（ 一阶扭转）
图 5 腰线刚度分析边界条件
图 9 第四阶振型云图（ 窗框局部）
基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析①
王增武， 靳晓雄， 何剑锋
（ 同济大学 汽车学院，上海 201804）
摘 要： 建立左前车门的有限元分析模型，对车门在自由状态下进行模态分析； 在一定工况下
对车门的框架刚度分析； 在一定工况下对车门进行腰线刚度的分析，通过通用的有限元分析软件
HyperMesh 进行分析，为结构设计选择及结构优化提供了理论依据．
关键词： 有限元； 模态分析； 框架刚度； 腰线刚度
中图分类号： U463
文献标识码： A
0引言
车门是车身结构的重要组成部件，其性能直接 影响着车身结构性能的好坏． 车门作为一个综合的 转动部件，和车厢一起构成乘员的周围空间范围， 应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，以 满足车门闭合时耐冲击性及与侧碰时的耐撞性等 各项性能的要求． 因此在车门的前期开发中进行有 限元分析是非常必要的． 本文以国标试验标准为依 据，对左前车门进行了模态及刚度分析，为结构设 计优化提供理论依据．
683
026mm 和 3． 26mm，均小于参考值（ 5mm） ，其刚度 满足要求． 腰线刚度计算工况，向里和向外最大位 移分 别 为 2． 82mm 和 0． 98mm，均 小 于 参 考 值 （ 3mm） ，其刚度满足要求．
5结论
通过以上分析，左前车门的固有频率避开了车 身的固有频率，并且同时避开发动机，传动轴以及 道路激励，避免共振，从而减少了振动噪声，此外车 门的框架刚度和腰线刚度也满足设计要求，这样在 车门设计之初为车门设计提供了理论依据，减少了 开发成本，缩短了开发周期．
图 2 左前车门有限元模型
图 1 有限元模型建立流程
图 3 框架刚度分析边界条件
1 有限元分析理论
有限元理论简介 用较简单的问题来取代复杂的问题来求解是 有限元分析的基本理念． 通过有限多个有限元的小 的互连子域组成求解域，一个合适的近似解都会被 赋予给一个单元，从而通过一系列的计算来达到求
① 收稿日期： 2011 － 08 － 22 作者简介： 王增武（ 1986 － ） ，男，山东临沂人，同济大学在读研究生，主要从事振动与噪声方面的工作．
约束车门上铰链六个方向的自由度，约束车门 下铰链六个方向的自由度，约束门锁除了左右其他 六个方向的自由度，在车门腰线位置内外向同时施 加 Y 向合力为 180． 0N 的均布力，如图 5 所示．
4 计算结果及分析
4． 1 模态计算结果及分析
通过计算车门的前四阶固有频率和阵型如表 2 及图 6，图 7，图 8，图 9 所示．
682
佳木斯大学学报（ 自然科学版）
2011 年
2． 2 左前车门的模态分析
左前车门车门作为整车中非常重要的一个结 构部件，在设计时，左前门车门的固有频率应该避 开道路激励频率，传动轴激励频率以及发动机激励 频率，从而避免发生共振，以免造成振动噪声． 除此 之外，本论文中某车型的白车身的固有频率大约在 30Hz 左右，因此左前车门的最小固有频率（ 一阶固 有频率） 应该避开此频率，以免发生共振，造成车 内空腔产生共鸣，引起较大的车内噪声和振动．
Warn 5． 5 14． 0 4． 0 12． 0 0． 7 55． 0 125 30． 0 110 5． 25
Fail 5． 0 15． 0 5． 0 15． 0 0． 6 45． 0 135 20． 0 120 7． 0
3． 3 焊点处理 焊点采用 acm 单元模拟．
3． 4 涂胶处理
胶体用 3D 实体单元模拟，涂胶处网格互相对齐．
2 左前车门的有限元分析
图 6 第一阶振型云图（ 内板局部）
有限元方法和其他分析方法相比，有自己的不 同之处，最核心的不同是它的近似性仅限于小的子 域中，克拉夫在 20 世纪 60 年代初首次提出了结构 力学计算有限元方法，并指出有限元法 = Rayleigh
2． 1 左前车门的刚度分析
前车门的刚度指标包括框架刚度和腰线刚 度． 前车门的框架刚度是指约束车门上铰链六个自 由度，约束车门下铰链六个自由度，约束门锁除了 左右其他 5 个自由度，上前角、上后角加载时在上 前角施加垂直于内板的 180N 均布力； 前车门的腰 线刚度是指约束车门上铰链六个方向的自由度，约 束车门下铰链六个方向的自由度，约束门锁除了左 右其他六个方向的自由度，在车门腰线位置内外向 同时施加 Y 向合力为 180． 0N 的均布力．
the future．
Key words： FEM； mode analysis； frame stiffness； waist stiffness
櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬
（ 上接 679 页）
参考文献：
［1］ 楼梦麟，陈群丽． 考虑提离滑移的电压发生器塔架结构地震 反应分析［J］． 地震工程与工程振动，1999，19（ 1） ； 164 － 171．
4． 2 刚度计算结果及分析
所有工况计算结果见表 3． 表 3 刚度计算结果
工况
加载位置及方向
最大位移
框架刚度
上前角向外
3． 026mm
上后角向外
3． 26mm
腰线刚度
向里
2． 82mm
向外
0． 98mm
左前车门上前角和上后角最大位移分别为 3．
第Hale Waihona Puke 期王增武，等： 基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析
3． 5 左前车门的有限元模型
如轿车车门结构比较复杂，一般由门内外板、 窗框、玻璃导槽、铰链、锁以及门窗附件等组成． 除 此之外，内门板上有玻璃升降器、门锁附件等． 因为 为了增强安全性，外板内侧一般通过防撞杆支撑架 安装了防撞杆，窗框下装有加强板． 内板与外板通 过翻边、粘合、滚焊等方式结合．
通过以上要求建立有限元模型如图 2 所示．
版社，2007，499 － 500． ［8］ 中国国家标准，钢结构设计规范（ GB50017 － 2003） ，2003 年，121．
Seismic Analysis and Assessment of EHV Capacitor Device Structure
表 2 模态计算结果
阶数
频率） Hz
振型
1
40． 76
内板局部
2
50． 09
一阶弯曲 + 外板局部
3
53． 53
一阶扭转
4
61． 97
窗框局部
通常工况下，由于路面不平、汽车运动所导致 的运动学激励多属于 20Hz 以下的垂直激励． 该车 型的发动机类型是直列 4 缸，该车型的发动机怠速 大约 720 / min 左右，因此可以计算出主激励频率为 24Hz 左右，由上面有限元结果可知，第 1 阶固有频 率为 40． 76Hz，因此对于上 几 种 激 励 没 有 共 振 隐 患，此外车身的固有频率为 30H 左右，同样没有共 振隐患． 所以车门设计基本符合要求．
3． 6 有限元边界条件
3． 6． 1 模态分析边界条件 自由状态无约束，无加载．
3． 6． 2 框架刚度分析边界条件 约束车门上铰链六个自由度，约束车门下铰链
六个自由度，约束门锁除了左右其他 5 个自由度， 上前角、上后角加载时在上前角施加垂直于内板的 180N 均布力如图 3 和图 4 所示． 3． 6． 3 腰线刚度分析边界条件
第5 期
王增武，等： 基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析
681
解的目的． 但是应该注意的是，这个解不是准确的 而是近似解． 在实际工程应用中，我们无法像理论 分析一样，得到一个准确解，我们只能通过求的近 似解来达到解决工程问题的目的． 然而有限元分析 有计算精度高，而且能够适用于各种各样的复杂形 状，所以在工程应用领域，越来越成为一种行之有 效的工程分析方法．
［5］ 傅志方，华宏星． 模态分析理论与应用［M］． 上海： 上海交通 大学出版社，2000，（ 7） ．
［6］ 陈永新，袁海龙，SRV 白车身模态及其对车内噪声影响的研 究［J］． 汽车技术，2007，（ 5） ．
using software HyperMesh． The finite frequency as well as vibration types was gained． Besides，the waist stiff-
ness and frame stiffness analysis were also carried out，so as to provide theory basis for car door development in
Abstract：
WANG Zeng － wu， JIN Xiao － xiong， HE Jian － feng
（ Tongji University，Shanghai 201804，China）
A finite element model of the left front door of a car was set up to carry out the modal analysis
［7］ 庞剑． 汽车噪声与振动 － 理论与应用［M］． 北京： 北京理工大 学出版社，2006，（ 6） ．
［8］ 韩旭，朱 平． 基于刚度和模态性能的轿车车身轻 量 化 研 究 ［J］． 汽车工程，2007，（ 7） ．
Mode and Stiffness Analysis of Car Door Based on FEM
Ritz 法 + 分片函数，就是说有限元法将函数定义在 简单几何形状，并不去纠结于定义域中的复杂边界 条件，这个是有限元方法越来越受到关注的根本原 因所在．
图 7 第二阶振型云图（ 一阶弯曲 + 外板局部）
图 4 框架刚度分析边界条件
图 8 第三阶振型云图（ 一阶扭转）
图 5 腰线刚度分析边界条件
图 9 第四阶振型云图（ 窗框局部）
基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析①
王增武， 靳晓雄， 何剑锋
（ 同济大学 汽车学院，上海 201804）
摘 要： 建立左前车门的有限元分析模型，对车门在自由状态下进行模态分析； 在一定工况下
对车门的框架刚度分析； 在一定工况下对车门进行腰线刚度的分析，通过通用的有限元分析软件
HyperMesh 进行分析，为结构设计选择及结构优化提供了理论依据．
关键词： 有限元； 模态分析； 框架刚度； 腰线刚度
中图分类号： U463
文献标识码： A
0引言
车门是车身结构的重要组成部件，其性能直接 影响着车身结构性能的好坏． 车门作为一个综合的 转动部件，和车厢一起构成乘员的周围空间范围， 应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性，以 满足车门闭合时耐冲击性及与侧碰时的耐撞性等 各项性能的要求． 因此在车门的前期开发中进行有 限元分析是非常必要的． 本文以国标试验标准为依 据，对左前车门进行了模态及刚度分析，为结构设 计优化提供理论依据．
683
026mm 和 3． 26mm，均小于参考值（ 5mm） ，其刚度 满足要求． 腰线刚度计算工况，向里和向外最大位 移分 别 为 2． 82mm 和 0． 98mm，均 小 于 参 考 值 （ 3mm） ，其刚度满足要求．
5结论
通过以上分析，左前车门的固有频率避开了车 身的固有频率，并且同时避开发动机，传动轴以及 道路激励，避免共振，从而减少了振动噪声，此外车 门的框架刚度和腰线刚度也满足设计要求，这样在 车门设计之初为车门设计提供了理论依据，减少了 开发成本，缩短了开发周期．
图 2 左前车门有限元模型
图 1 有限元模型建立流程
图 3 框架刚度分析边界条件
1 有限元分析理论
有限元理论简介 用较简单的问题来取代复杂的问题来求解是 有限元分析的基本理念． 通过有限多个有限元的小 的互连子域组成求解域，一个合适的近似解都会被 赋予给一个单元，从而通过一系列的计算来达到求
① 收稿日期： 2011 － 08 － 22 作者简介： 王增武（ 1986 － ） ，男，山东临沂人，同济大学在读研究生，主要从事振动与噪声方面的工作．
约束车门上铰链六个方向的自由度，约束车门 下铰链六个方向的自由度，约束门锁除了左右其他 六个方向的自由度，在车门腰线位置内外向同时施 加 Y 向合力为 180． 0N 的均布力，如图 5 所示．
4 计算结果及分析
4． 1 模态计算结果及分析
通过计算车门的前四阶固有频率和阵型如表 2 及图 6，图 7，图 8，图 9 所示．
682
佳木斯大学学报（ 自然科学版）
2011 年
2． 2 左前车门的模态分析
左前车门车门作为整车中非常重要的一个结 构部件，在设计时，左前门车门的固有频率应该避 开道路激励频率，传动轴激励频率以及发动机激励 频率，从而避免发生共振，以免造成振动噪声． 除此 之外，本论文中某车型的白车身的固有频率大约在 30Hz 左右，因此左前车门的最小固有频率（ 一阶固 有频率） 应该避开此频率，以免发生共振，造成车 内空腔产生共鸣，引起较大的车内噪声和振动．
Warn 5． 5 14． 0 4． 0 12． 0 0． 7 55． 0 125 30． 0 110 5． 25
Fail 5． 0 15． 0 5． 0 15． 0 0． 6 45． 0 135 20． 0 120 7． 0
3． 3 焊点处理 焊点采用 acm 单元模拟．
3． 4 涂胶处理
胶体用 3D 实体单元模拟，涂胶处网格互相对齐．
2 左前车门的有限元分析
图 6 第一阶振型云图（ 内板局部）
有限元方法和其他分析方法相比，有自己的不 同之处，最核心的不同是它的近似性仅限于小的子 域中，克拉夫在 20 世纪 60 年代初首次提出了结构 力学计算有限元方法，并指出有限元法 = Rayleigh
2． 1 左前车门的刚度分析
前车门的刚度指标包括框架刚度和腰线刚 度． 前车门的框架刚度是指约束车门上铰链六个自 由度，约束车门下铰链六个自由度，约束门锁除了 左右其他 5 个自由度，上前角、上后角加载时在上 前角施加垂直于内板的 180N 均布力； 前车门的腰 线刚度是指约束车门上铰链六个方向的自由度，约 束车门下铰链六个方向的自由度，约束门锁除了左 右其他六个方向的自由度，在车门腰线位置内外向 同时施加 Y 向合力为 180． 0N 的均布力．
the future．
Key words： FEM； mode analysis； frame stiffness； waist stiffness
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参考文献：
［1］ 楼梦麟，陈群丽． 考虑提离滑移的电压发生器塔架结构地震 反应分析［J］． 地震工程与工程振动，1999，19（ 1） ； 164 － 171．
4． 2 刚度计算结果及分析
所有工况计算结果见表 3． 表 3 刚度计算结果
工况
加载位置及方向
最大位移
框架刚度
上前角向外
3． 026mm
上后角向外
3． 26mm
腰线刚度
向里
2． 82mm
向外
0． 98mm
左前车门上前角和上后角最大位移分别为 3．
第Hale Waihona Puke 期王增武，等： 基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析
3． 5 左前车门的有限元模型
如轿车车门结构比较复杂，一般由门内外板、 窗框、玻璃导槽、铰链、锁以及门窗附件等组成． 除 此之外，内门板上有玻璃升降器、门锁附件等． 因为 为了增强安全性，外板内侧一般通过防撞杆支撑架 安装了防撞杆，窗框下装有加强板． 内板与外板通 过翻边、粘合、滚焊等方式结合．
通过以上要求建立有限元模型如图 2 所示．
版社，2007，499 － 500． ［8］ 中国国家标准，钢结构设计规范（ GB50017 － 2003） ，2003 年，121．
Seismic Analysis and Assessment of EHV Capacitor Device Structure
表 2 模态计算结果
阶数
频率） Hz
振型
1
40． 76
内板局部
2
50． 09
一阶弯曲 + 外板局部
3
53． 53
一阶扭转
4
61． 97
窗框局部
通常工况下，由于路面不平、汽车运动所导致 的运动学激励多属于 20Hz 以下的垂直激励． 该车 型的发动机类型是直列 4 缸，该车型的发动机怠速 大约 720 / min 左右，因此可以计算出主激励频率为 24Hz 左右，由上面有限元结果可知，第 1 阶固有频 率为 40． 76Hz，因此对于上 几 种 激 励 没 有 共 振 隐 患，此外车身的固有频率为 30H 左右，同样没有共 振隐患． 所以车门设计基本符合要求．
3． 6 有限元边界条件
3． 6． 1 模态分析边界条件 自由状态无约束，无加载．
3． 6． 2 框架刚度分析边界条件 约束车门上铰链六个自由度，约束车门下铰链
六个自由度，约束门锁除了左右其他 5 个自由度， 上前角、上后角加载时在上前角施加垂直于内板的 180N 均布力如图 3 和图 4 所示． 3． 6． 3 腰线刚度分析边界条件
第5 期
王增武，等： 基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析
681
解的目的． 但是应该注意的是，这个解不是准确的 而是近似解． 在实际工程应用中，我们无法像理论 分析一样，得到一个准确解，我们只能通过求的近 似解来达到解决工程问题的目的． 然而有限元分析 有计算精度高，而且能够适用于各种各样的复杂形 状，所以在工程应用领域，越来越成为一种行之有 效的工程分析方法．
