0 引言
关闭轻便性是汽车车门的一项重要性能指标，对客户在使用车辆时的主观感受以及车门关闭相关零件的使用寿命有重要影响。在车门系统设计过程中，如果不能在前期阶段对车门关闭能量进行评估与优化，实车下线后可能会出现车门关闭困难的问题。由于与车门关闭性能相关的因素众多，且各因素间存在相互耦合作用，如果在实车阶段对车门关闭能量过大的问题进行整改，会耗费较多的人力物力成本，并严重影响项目开发的进度。国内外学者对车门关闭能量开展了研究，WAGNER等[1]采用非线性有限元分析方法探究了密封胶条对车门关闭轻便性的影响；陈少伟[2]通过优化密封胶条的断面结构达到减小关闭能量的目的。另有一些学者基于计算流体动力学(computational fluid dynamics ，CFD)方法分析了车门关闭过程中所受到的气压阻力，研究结果表明该阻力所消耗的能量是关闭能量的重要组成部分[3-4]；高云凯等[5]采用数学建模的方式对汽车旋转门在关闭过程中的各项能量消耗项目进行简化，开发了基于Excel的车门关闭能量计算工具，对车型设计前期评估旋转门关闭性能有重大意义。但是上述工作的研究对象为旋转门，对汽车滑移门的关闭能量的研究却较少。
滑移门具有开度大、出入方便以及节约车外空间的优点，因此被大量运用在多用途汽车(multi-purpose vehicles,MPV)上。目前电动滑移门未在中低端MPV上普遍应用，人力操作的滑移门MPV在市场上占有较大的比例，因此有必要研究滑移门的关闭性能。MUNEER等[6]和周卜军等[7]通过试验方法对滑移门关闭能量的影响因素的组成和影响程度开展了研究,但由于这些工作需要基于实车开展，无法精确指导滑移门系统的正向设计。
为提高车型前期设计阶段对滑移门关闭能量进行精确评估的能力，本文提出一种基于ADAMS与Simulink联合仿真的滑移门关闭能量计算方法。该方法的思路是：先基于ADAMS建立滑移门系统的刚-柔耦合多体模型，以实现滑移门关闭过程的动力学仿真；然后依据流体力学理论推导滑移门内侧的气压阻力的微分方程，在Simulink中建立该微分方程的迭代求解流程，并与ADAMS滑移门系统动力学模型进行集成，以实现考虑空气阻力的滑移门关闭能量仿真分析。经实车试验验证，该联合仿真方法的分析结果有较高的可靠性，对滑移门系统的设计有重要意义。
1 滑移门系统关门模型建模
滑移门的运动过程包括平移和旋转两种形式，本文基于ADAMS/View软件平台建立滑移门系统的多体动力学模型。
1.1 滑移门系统运动机构建模
为了提高滑移门系统动力学仿真的精度，需要考虑门体和连接臂的柔性[8-9]。在有限元前处理软件Hypermesh中绘制滑移门和连接臂的网格模型并赋予材料属性，再提交给有限元分析软件Nastran进行模态计算，生成它们的模态中性文件(MNF)。MNF包含了滑移门的模态信息(图1)，可由ADAMS/View在动力学仿真时调用，以实现滑移门和铰链在运动过程中的弹性变形行为。
图1 滑移门一阶扭转模态
Fig.1 First order torsional mode of the sliding door
采用刚性建模方法建立滑移门系统的各个滚轮及导轨，可以大幅减少求解接触力所需的计算资源，但需要注意的是，如直接将滚轮和导轨的CAD数据导入ADAMS/View中，会得到粗糙畸变的几何实体，从而使得计算的接触力异常。在ADAMS/View中采用Cylinder功能建立各个滚轮，导轨则通过Extrusion功能进行建模，这样可以获得几何平滑的刚体模型。通过旋转副对门体、铰链和各个滚轮进行装配(图2)，以实现铰链和滚轮的转动。
图2 基于ADAMS的中铰链建模
Fig.2 Modeling of the middle hinge based on ADAMS
1.2 密封胶条建模
密封胶条在滑移门关闭的瞬间被压缩并产生变形，其吸收的滑移门动能是关闭能量的重要组成部分。该能量消耗主要由滑移门密封胶条的长度、关闭状态下的压缩量及压缩负载变形(compression load deflection,CLD)曲线决定。其中，密封胶条的CLD曲线可通过图3中的试验工装对密封胶条进行静压缩测试得到。该滑移门密封胶条的断面结构在整圈上均一致，在其平直部分截取100 mm的小段进行测试，得到的CLD曲线如图4所示。在ADAMS/View软件中将密封胶条以100 mm长度为单位进行分段，然后以图5所示的方式在每一段的中心处建立作用于滑移门内板的法向作用力，并通过距离函数DM和样条线插值函数AKISPL控制密封条反力的大小。在滑移门关闭仿真中，当门体开始压缩密封胶条时，各作用力根据各自位置处的压缩量在CLD曲线上进行插值得到相应的密封反力。
图3 密封胶条CLD曲线测量试验
Fig.3 Measurement test of the CLD
图4 密封胶条上段压缩负载曲线
Fig.4 CLD of the upper section of sealing strip
图5 密封胶条压缩反力建模
Fig.5 Modeling of sealing strip forces
1.3 锁体建模
如图6所示，采用刚体形式建立锁体机构的主要结构，并在棘轮和棘爪的旋转轴上建立扭簧作用力。在滑移门关闭时，锁销撞击棘轮使其发生旋转并顶开棘爪，当滑移门运动至完全关闭位置时，棘爪回位卡住棘轮以保持门体的关闭状态。在此过程中，由于棘轮扭簧和棘爪扭簧被旋转压缩而消耗的动能是滑移门关闭能量中的重要组成。采用Impact-based contact方法建立锁系统之间的接触关系以及各滚轮与导轨之间的接触关系[10]，装配完成的滑移门系统刚-柔耦合多体动力学模型如图7所示，基于该模型可实现滑移门关闭过程的动力学仿真。
图6 滑移门锁体机构模型
Fig.6 Model of the sliding door’s lock mechanism
图7 滑移门系统关闭过程分析模型
Fig.7 Analysis model for the closing process of sliding door
2 基于ADAMS-Simulink的气压阻力建模
2.1 滑移门关闭气压阻力数学模型
借助滑移门系统动力学仿真模型对门体在关闭过程的运动姿态进行解析(图8)，可以将滑移门的运动状态分为三个阶段：初始阶段中滑移门的运动方式主要为直线运动；随着滑移门的上下支撑臂进入弯曲段，滑移门发生旋转，门体前端向侧围靠近；当中连接臂进入导轨弯曲段后，滑移门后端快速内移，此时滑移门的运动方式以旋转运动为主，随后滑移门完全关闭。
图8 滑移门在关闭过程中的运动姿态
Fig.8 Pose of motion in the closing process of sliding door
为了获取气压阻力在关门过程中所消耗的能量，需要结合流体力学理论计算滑移门内侧的气压值[11]。由于气压阻力的阻碍作用主要发生在滑移门完全关闭前的较短时间内，且滑移门的形状较方正规整，故对考虑空气控制体积的滑移门关闭过程进行简化建模，如图9所示。
图9 考虑空气控制体积的简化模型
Fig.9 Simplified model considering the control volume of air
空气的控制体积Vc由两部分组成，第一部分是乘员舱内的体积Vp,第二部分为门框与滑移门组成的间隙体积Vg,可由下式得到：
Vg=HdSg
(1)
dfldfw-drldrw]
(2)
式中，Hd为滑移门的高度；Sg为俯视角度下滑移门与门框所围成的空气面积；Ld为门框的长度；dfl、dfw分别为滑移门距门框前端的车长方向及车宽方向的距离；drl、drw分别为滑移门距门框后端的车长方向及车宽方向的距离。
当滑移门将空气压缩进乘员舱时，空气会通过门体与侧围的间隙Ag以及车身后部的通风换气泄压阀开口Av溢出。Ag可由下式得到：
(3)
泄压阀的开口面积依据图10所示的特性曲线随车内外气压差的大小发生变化。根据空气质量守恒定律可建立微分方程如下：
=-ρveAe
(4)
(5)
式中，p、ρ分别为控制体积内的空气压强和密度；ve为空气泄漏的速度，由内外空气压力差公式(式(5))所决定；pa、ρa分别为大气压强和大气密度，分别为1.225 kg/m3和101 300 Pa；Ae为空气泄漏面积，它为滑移门与门框间隙面积Ag和泄压阀开口面积Av的和。
图10 空气泄压阀开口面积-气压差曲线
Fig.10 Av-Δp for the air relief valve
对式(4)两边进行整理得到
(6)
根据气体的等熵变化得到
(7)
式中，kT为等熵指数,空气的等熵指数约为7/5。
对式(7)的左右两边关于时间求导，有
(8)
再将式(6)代入式(8)，得到
(9)
将式(5)代入式(9)，得到控制体积内气压的微分表达式：
(10)
2.2 ADAMS与Simulink联合仿真
在ADAMS/View动力学软件中难以对微分方程进行求解，采用数学软件MATLAB中的Simulink模块与ADAMS联合仿真[12]可以方便地对式(10)进行数值迭代求解，以实现在滑移门关闭过程的动力学仿真中引入气压阻力的作用。
通过ADAMS的Control模块建立动力学模型和Simulink数学模型之间的输入、输出接口以实现数据的双向传递[13]。ADAMS动力学模型以乘员舱内外气压差Δp作为输入状态变量，同时在动力学模型中对滑移门的内侧建立均匀分布的作用力，作用力大小为Δp与作用力对应面积的乘积；以控制体积Vc、控制体积的变化速率dVc/dt以及空气泄漏面积Ae为输出状态变量。如图11所示,根据滑移门内外气压差的微分方程表达式在Simulink中建立其迭代计算流程，并与ADAMS中的滑移门系统动力学模型进行集成。完成联合仿真模型建立后，在Simulink中对联合仿真的控制参数进行设置，其中ADAMS动力学仿真方式为discrete(离散型)，联合仿真的通信时间间隔设置为0.001 s，另选择ode4(Runge-Kutta) 作为迭代积分的求解器,固定步长为0.000 1 s，仿真计算时间设定为2 s。
图11 ADAMS-Simulink联合仿真流程
Fig.11 Simulation flow for co-simulation of ADAMS and Simulink
3 考虑气压阻力的滑移门关闭能量分析
3.1 联合仿真分析结果
采用Simulink-ADAMS联合仿真方法对滑移门的关闭过程进行分析，通过调整滑移门的关闭力使其刚好能够关闭，在该情况下关闭过程中所消耗的能量即为滑移门的关闭能量。
在关闭能量最小的情况下，滑移门的内外气压差的变化趋势如图12所示，乘员舱内的空气压力在约1.6 s时迅速升高，内外气压差在达到峰值126.2 Pa后又迅速降低。结合ADAMS动力学仿真的后处理结果对乘员舱内气压变化现象进行分析可知，滑移门在约1.6 s时移动至图13所示的位置，此时中连接臂已经进入中导轨的弯曲段，滑移门开始以旋转为主要运动方式，门体的后端迅速向侧围靠拢闭合。由图14和图15可知，空气控制体积和空气泄漏面积以极快的速度缩小，由于无法将被滑移门挤压入乘员舱的空气及时排出，滑移门内侧的气压急剧升高，且在滑移门完全关闭的瞬间达到峰值。滑移门关闭后，乘员舱内的空气通过车身后部的泄压阀流出，并在短时间内恢复至大气压。
图12 滑移门内外气压差值的变化情况
Fig.12 The difference in air pressure bewteen inner and outer of the sliding door
图13 舱内气压快速升高时对应的滑移门位置
Fig.13 The position of sliding door when air pressure sudden rises
图14 空气控制体积变化情况
Fig.14 Change in the control volume of air
图15 空气泄漏面积变化情况
Fig.15 Change in area of air leaking
根据Simulink-ADAMS联合仿真结果可知，滑移门关闭过程中所消耗的各种能量组成如表1所示，关闭所需能量为4.4 J，气压阻力和密封胶条为阻碍滑移门关闭的最主要因素，分别占关闭所需能量的48.9%和36.6%。
3.2 试验验证
为了验证ADAMS-Simulink联合仿真对滑移门关闭能量的分析精度，需要开展实车试验进行对标。如图16所示进行试验准备，将车辆停放
表1 滑移门关闭能量组成
Tab.1 The closing effort composition of sliding door
项目消耗能量(J)总能量占比(%)气压阻力2.1548.9密封胶条1.6136.6锁系统0.419.3摩擦0.235.2重力1.89-43.0总能量4.4100.0
图16 滑移门关闭能量测量试验
Fig.16 Measurement test for the closing effort of sliding door
在平坦的地面上，然后将除测试滑移门外的所有车门及车窗完全关闭。将滑移门开启至全开位置，使用橡皮绳施加关闭力，并结合推拉测力计控制加载力。本试验采用速度测量仪采集滑移门入弯前的直线运动速度，通过多次调整加载力使滑移门能够刚好关闭，根据滑移门通过测点时的速度和由测点处运动至完全关闭位置时重力所做的功，可以得到滑移门关闭所需的能量。
基于多辆试验车在滑移门的车窗完全关闭、玻璃下降1 cm以及将车窗完全开启共三种情况重复进行多次试验，得到仿真试验对标情况如表2所示。各情况下ADAMS-Simulink仿真分析所得的关闭所需能量与试验测试结果的误差均低于10%，其中车窗完全关闭和车窗下降1 cm情况下的误差在5%以内，说明该联合仿真方法的分析结果可靠，对车型开发的前期阶段评估滑移门关闭能量有较高的指导意义。
表2 滑移门关闭能量仿真试验对标
Tab.2 Comparation of closing effort of sliding door
between simulation and experiment
车窗状态试验值(J)仿真值(J)误差(%)完全关闭4.204.404.8下降1 cm3.553.611.7完全开启2.422.22-8.2
根据对标情况可知，虽然三种情况的误差均低于10%，但是完全开启时仿真所得能量是低于试验测试值的，而车窗完全关闭时得到的能量值却高于实际情况。对滑移门系统的实际情况、设计状态和简化模型之间的差异进行梳理，仿真结果与试验测量结果的误差来源有以下几点：
(1)装配与制造误差导致密封胶条的压缩量与设计状态不同；
(2)未考虑密封胶条内的空气在压缩过程中的阻碍作用[14]；
(3)实车中的密封情况与仿真分析存在差异，实际的空气泄漏面积可能大于仿真模型中的面积；
(4)数学简化模型与实际的滑移门及侧围的几何特征存在差异。
4 结论
(1)结合动力学仿真方法和流体力学理论，提出了基于ADAMS与Simulink联合仿真的滑移门关闭能量分析方法。
(2)由联合仿真的分析结果可知，该车型的滑移门在关闭过程中，乘员舱内气压在滑移门快要关闭时迅速升高，该气压阻力是影响关门能量的最主要因素，约占总能量消耗的50%。
(3)经实车对标试验验证，该方法对该车型滑移门的关门所需能量的分析误差低于10%，说明联合仿真方法的分析精度较高，可用于在车型开发设计阶段对滑移门的关闭性能进行评估。
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