在汽车安全中，安全气囊和安全带倍受关注，但如何防止汽车车门在交通事故中异常打开成为另一项重要指标。尽管还没有受到大众的关注，但对于汽车制造商而言，使用安全门锁理应引起重视。

设想你正在为德国门锁制造商Kiekert公司设计门锁， Kiekert从1857年开始生产汽车门锁系统，拥有500项专利，是第一家把门锁系统商业化的企业。该公司每年为Daimler AG, Chrysler, VW-Group, BMW, PSA (Peugeot & Citroen), Renault, Ford，GM等汽车企业提供350万套汽车门锁。

你的设计不但要满足不同国家的汽车安全标准和各个汽车制造商的设计规范，并且还要考虑成本和效率，这对于任何一个设计者都是挑战，况且Kiedert自身的产品很丰富，包括动力拉门、遥控锁、行李箱锁及大旅行箱锁等等，核心产品是边门锁系。

关键部件：
车门外面的把手和锁柱与内部的复杂系统相连，该复杂系统包括：电缆、凸轮、杠杆、接头、驱动器、齿轮、棘轮以及拉手等组成。在门锁系统中包含多个部件，小到30个大到75个。工作时，拉手和棘轮扣在撞针上确保车门关闭，撞针是一个U形的金属片，它通过螺栓连接到汽车的B形柱上（安全带也是固定在这里）。 
侧门锁具有多个功能：里外都能打开和关闭、里外都能锁上或开锁、中央控制、儿童锁、遥控等。整个门锁系统需要在各种温度、噪音和颠簸中工作许多年，并且要有足够的防撞强度，拉手与撞针之间的连接强度至关重要。

Kiekert的分析部经理Thomas Waldmann说：“门锁的强度试验对我们来说是基本的要求，不仅是因为我们的设计必须符合各国政府的安全标准，而且各个汽车企业都有自己的试验要求。”

Waldmann领导着一个全球的分析团队，主要任务是对门锁系统进行虚拟仿真，他们的仿真流程以及报告流程等经过多年的发展如今已经有80多种不同的分析计算工况。
Waldmann说：“Kiekert的工程设备为我们带来了高精度的结果，独一无二的知识库和试验数据库使我们的项目风险降到最低，并且使得我们在汽车门锁工业具有最高的设计效率。” Waldmann认为，满足全球强度试验标准（拉手与撞针之间的连接强度标准目前是11000N）是比较容易的，关键问题在于如何满足各个汽车制造商自己的试验要求，基本上每个汽车制造商的强度试验标准是政府标准的两倍以上。

高质量高速度：
Waldmann说：“我们的分析从设计部门提供的CAD模型开始，主要分为三个流程：有限元模拟、多体动力学模拟以及误差分析，所有这些流程必须快速地、高质量地完成。”

Kiekert使用标准化的虚拟模拟过程，从而大大减少了产品的试验数量。Waldmann说：“我们的一个新产品如今上市时间已经减少到18个月。”

复杂分析的统一有限元：
Kiekert的门锁设计周期加速的一个关键因素是由于引进了达索SIMULIA的Abaqus软件。Waldmann说：“进行物理试验速度慢并且不能应用到整个工作中，我们一开始在CATIA V4 ELFINI中对门锁进行线性模拟，现在有了Abaqus软件，我们可以进行更多复杂的非线性模拟工作，实现了必须的三维模型精确的强度分析。”

Abaqus的统一有限元分析与Kiekert现有的设计软件配合很好，Waldmann说：“我们在CATIA V4或V5中对复杂模型进行网格划分，然后把这些网格模型导入到Abaqus中进行分析，我们现在使用AFC、Abaqus/standard、Abaqus/Explicit和Abaqus/CAE。因为我们具有不同的解决方案，所以能得到所有需要的结果。我们使用Abaqus中的隐式和显式求解器对不同的问题进行求解分析，Abaqus中对接触非线性的模拟是最好的。”

Waldmann注意到，在对门锁进行网格划分时选择单元类型需要因任务而定，对于复杂的门锁模型采用自动网格划分功能对于提高效率是必须的。Waldmann说：“这样做的好处在于使用四面体网格建模只需要半个小时左右的时间，由于我们模拟了许多小的结构，因此分析时会需要更多的CPU时间，但却大大节省了网格模型的创建时间。”

Kiekert公司在有限元分析中模拟铆接时在把整个铆钉都考虑进来。Waldmann说：“我们需要考虑铆接处的应力分析，这对门锁的强度计算很重要。”

Waldmann的团队具有16CPU的并行计算环境，使用Linux操作系统。大多数Abaqus分析任务使用4CPU就可以快速有效地完成。Waldmann说：“我们可以同时运行四个工作，通常整晚都在计算。”团队里也有人在使用UNIX平台进行计算，使用PC机在CAE中进行前处理，平均每个分析模型自由度在70万到150万之间。

门锁材料：
模拟门锁时材料选择很重要，第一批门锁全部都是用铁或铝合金制成，但今天的多功能锁中不但包括塑料件，有的甚至装有电马达以方便操作、降噪或舒适性。
Kiekert公司在这些年中建立起了一个丰富的材料库。Waldmann说：“准确的材料数据是正确分析结果的保证，公司投入大量时间和资金进行科学的材料试验以获得准确的材料数据。”

利用Abaqus软件中的材料功能，Kiekert公司可以对含有0~50%玻璃纤维的塑料进行评估。但是从安全角度来讲，零件还应当使用钢铁材料，Waldmann说：“这不仅仅从强度方面考虑，还应该考虑防火性，我们有相当长的一段时间在研究具有不同热处理性能的各种钢材，我们力求找到柔性、强度和耐磨性之间的平衡点。利用Abaqus软件的材料功能，我们把一个部件放在不同的应力下进行测试，找到性能最好的情况，有时候我们把同一个分析工作使用五种不同的材料进行评估。”

Waldmann说：“Kiekert还使用FEA进行温度和噪声分析，门锁的部件尤其是塑料件需要在40~85摄氏度的温度范围内持续工作。对于噪声分析，增加塑料件可以降低噪声尽管强度要求使用更多的钢件，我们面临既要满足噪声要求又要考虑安全的矛盾，现在使用Abaqus使得设计评估和结果测试易如反掌。”

压力测试：
说起虚拟强度测试，Waldmann的部门认为这对于门锁设计非常重要，他们在拉手和撞针连接部分施加2~3吨的载荷。所有的汽车厂商要求在纵面和横面内都要进行强度测试，有时候还需要在垂直方向和横面内正向旋转45度进行测试（旋转方向的测试要求是最近美国的汽车厂商提出来的）。

有限元分析提供了比实验室里进行真实试验更为安全的测试方法，Waldmann说：“利用有限元分析方法，我们可以在模拟过程中对某个截面进行切割，观察部件的内部情况，而在实际实验中，要破坏部件才能实现这种目的。”利用有限元方法，Kiekert的工程师还可以对分析事件的测试过程按照增量顺序进行评估，观察门锁的应力情况和内部结构的变化，而这些在实际试验的最终结果中是不可能反映出来的。

质量缩放减小分析时间：
Kiekert公司利用准静态的方法对门锁进行分析（5mm/min的加载速率）。为了缩短分析时间，工程师们采用Abaqus/Explicit中的质量缩放功能，通过质量缩放增加稳定时间增量从而缩短整个分析时间。

Waldmann说：“我们有很大一部分计算利用Explicit求解器来完成，这时分析时间相对会很长，而质量缩放解决了这个问题，但是分析人员必须清楚了解利用准静态分析需要注意的问题，如果你发现门锁的响应有很大的跳跃，这时候就需要减小稳定时间增量。”

完整的碰撞数据：
既然门锁是一个包括把手、电缆、锁柱等部件的完整系统，发展一种针对整个锁系的碰撞理论是车锁安全的下一步工作，Waldmann说：“Kiekert已经着手发展一种针对整个锁系性能的整体优化方法。”

他说：“一个真实的汽车碰撞的发生时间只有几个毫秒，汽车厂商进行汽车碰撞模拟时仅仅使用一个单元来说明锁是关闭的，我会要求汽车厂商测量门锁位置在碰撞中的数据并把结果发给我们，然后我们会建立门锁和B形柱的模型，利用这些数据分析计算门锁内部的情况，然后想方设法使它们在碰撞中变得更结实。”

目前，Waldmann的团队已经把现有的有限元分析或其它模拟工具的功能在汽车门锁分析中发挥到了极至，这种强劲的分析能力成为Kiekert公司产品的五大卖点之一（另外四个是创新、复杂管理、经验以及产品认证），从而使Kiekert公司成为全球顶级的汽车门锁供应商，Waldmann说：“我们花费了大量的时间修改门锁模型，使其具有最好的性能，分析部门正成为Kiekert公司产品设计中必不可少的一环。”

附：与世界标准同步
根据美国高速公路安全管理部的数字统计，在美国每年有超过54000人在交通事故中被甩出汽车，尽管大部分是车窗的原因，但仍有7500人是从车门里被甩出来的。
为减少这些数据，美国、欧盟、加拿大和日本已经首次采用机动车全球规范（GTR）为门锁及其部件设置最低安全标准。

每个国家的标准都应该与世界标准同步：美国将在2009年9月，把遵守国家标准由自愿变为强制，美国的现有标准大部分是在二十世纪七十年代建立起来的。