高潔，黃玉珍, 王金橋

(奇瑞新能源汽車有限公司研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

乘用車汽車前縱梁為構(gòu)成車身框架的主要結(jié)構(gòu)，其主要功能是給發(fā)動機、變速箱等提供承載，并在碰撞過程中通過潰縮吸能保持乘員艙完整，為乘員提供安全、可靠的保障。由于發(fā)動機、變速箱等零件質(zhì)量較大，若前縱梁結(jié)構(gòu)強度差，在惡劣工況條件下，縱梁上安裝點容易開裂，會產(chǎn)生安全隱患，所以車身縱梁結(jié)構(gòu)設計得足夠強就顯得尤為重要。文中通過CAE分析前縱梁局部應力情況，尋找到設計結(jié)構(gòu)薄弱點,并通過臺架試驗和實車的方案驗證,解決了前縱梁內(nèi)板懸置安裝點開裂問題。

1 問題描述

某車型在強化路試里程15 000 km時，縱梁內(nèi)板懸置安裝點處鈑金出現(xiàn)開裂。試驗繼續(xù)進行，裂紋持續(xù)擴展，如圖1所示。

2 開裂原因分析

2.1 裂紋特征

經(jīng)現(xiàn)場查看，縱梁內(nèi)板懸置安裝點圓形凸臺下半圈根部出現(xiàn)嚴重開裂。經(jīng)與試車員了解得知，開裂是從懸置安裝點凸臺根部下方產(chǎn)生，隨著路試繼續(xù)進行，裂紋逐漸加大并朝附近焊點擴展，如圖1所示。

圖1 某車型縱梁開裂圖示

2.2 開裂形成機制探究

根據(jù)試驗車開裂位置特征和發(fā)生里程判斷此處為疲勞開裂，開裂沿著凸臺根部逐漸延伸擴大。一般來說，疲勞開裂裂紋先從應力最大、結(jié)構(gòu)強度最弱的位置形成[1-2]；材料選用、板材厚度選擇及結(jié)構(gòu)設計三方面因素均對開裂問題有重要的影響[3]。文中車型懸置安裝點凸臺附近有離合管路安裝孔，該孔減弱了縱梁結(jié)構(gòu)強度；而且懸置安裝點凸臺下方結(jié)構(gòu)有不規(guī)則型面變化，導致凸臺處縱梁內(nèi)板與縱梁加強板之間無焊點連接，如圖2所示。因此認為縱梁內(nèi)板懸置安裝點處開裂的主要原因為車身結(jié)構(gòu)此處薄弱、存在應力集中導致。

圖2 某車型縱梁結(jié)構(gòu)

對縱梁原結(jié)構(gòu)模擬路試工況進行CAE分析，發(fā)現(xiàn)在顛簸+轉(zhuǎn)向最惡劣的工況下(加載加速度為垂向3g+側(cè)向1g)，縱梁內(nèi)板懸置安裝點處最大應力值為316 MPa,超過材料B250P1屈服強度303.04 MPa，與路試縱梁出現(xiàn)開裂位置一致，如圖3所示。

圖3 某車型縱梁開裂處分析應力情況

3 開裂問題解決措施

根據(jù)以上原因分析可知，解決縱梁懸置安裝點開裂問題需更改縱梁薄弱處結(jié)構(gòu)、分散應力避免應力集中。采用了3種方案優(yōu)化該處鈑金結(jié)構(gòu)，并對縱梁懸置安裝點結(jié)構(gòu)進行了CAE分析。

方案一：在原方案基礎上，縱梁型面不更改，將離合管路安裝孔移離懸置安裝點區(qū)域，同時將原懸置前、后支撐板兩個零件合并為一個大懸置支撐板且更改為盒型結(jié)構(gòu)，材料由B250P1更改為HC340/590DP，厚度由1.0 mm更改為1.8 mm。方案二：在方案一的基礎上更改縱梁內(nèi)板、縱梁內(nèi)板加強板、懸置支撐板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化懸置安裝點凸臺附近型面，增大這3層鈑金之間的貼合面，分散應力。方案三：在方案二的基礎上更改縱梁內(nèi)板、縱梁內(nèi)板加強板、懸置支撐板,將懸置安裝點凸臺向下延伸拉大。具體方案描述見表1。

各種優(yōu)化方案經(jīng)過CAE分析，在顛簸+轉(zhuǎn)向工況下縱梁各零件的應力值見表2。

CAE分析結(jié)果對比表明：方案一中縱梁內(nèi)板的最大應力值316.5 MPa大于其材料屈服強度303.04 MPa，此方案存在風險；方案二和方案三中縱梁內(nèi)板的最大應力值小于其材料屈服強度303.04 MPa，縱梁內(nèi)板加強板的最大應力值小于其材料屈服強度382.87 MPa，懸置支撐板最大應力值小于其材料屈服強度430.1 MPa。其中方案二左前縱梁內(nèi)板原開裂區(qū)域的最大應力為198 MPa,為各方案中最小值。綜合考慮決定采用方案二開發(fā)軟模件進行臺架試驗及路試進行驗證。

表1 各方案描述

表2 各方案CAE分析結(jié)果

4 驗證結(jié)果

先通過臺架試驗模擬顛簸+轉(zhuǎn)向工況，在垂向加載3g加速度、側(cè)向加載1g加速度，連續(xù)循環(huán)模擬路試沖擊。第一輪臺架試驗縱梁為原結(jié)構(gòu)狀態(tài)，此試驗目的是尋找臺架試驗和真實路試情況的規(guī)律；第二輪臺架試驗縱梁是在原結(jié)構(gòu)上取消離合管路安裝孔狀態(tài)，此試驗目的是驗證離合管路安裝孔對開裂問題是否有影響；第三輪臺架試驗縱梁為根據(jù)方案二制作的軟模件結(jié)構(gòu)。臺架試驗見圖4。

第一輪臺架試驗縱梁內(nèi)板在38萬次循環(huán)時懸置安裝點凸臺處出現(xiàn)裂紋，可視為臺架試驗38萬次循環(huán)等效強化路試1.5×104km的里程；第二輪臺架試驗縱梁內(nèi)板在53萬次循環(huán)時懸置安裝點凸臺處出現(xiàn)裂紋，說明離合管路安裝孔對縱梁開裂有一定貢獻；第三輪臺架試驗縱梁內(nèi)板直至600萬次循環(huán)停止試驗時仍未出現(xiàn)開裂，對比前兩輪臺架試驗說明方案二改善明顯。具體統(tǒng)計見表3。

圖4 臺架試驗

試驗項目是否發(fā)生開裂循環(huán)次數(shù)圖示第一輪臺架試驗(有離合管路安裝孔狀態(tài)縱梁)是38萬次第二輪臺架試驗(取消離合管路安裝孔狀態(tài)縱梁)是53萬次第三輪臺架試驗(方案二軟模件)否600萬次未開裂

臺架試驗驗證后，按方案二更改縱梁內(nèi)板、縱梁內(nèi)板加強板和懸置支撐板硬模后，重新進行強化路試驗證，直至路試結(jié)束縱梁內(nèi)板未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，縱梁內(nèi)板懸置安裝點處鈑金開裂問題得到徹底解決。

5 結(jié)論

(1)通過第一、二輪臺架試驗結(jié)果對比可知：縱梁懸置安裝點附近開孔對結(jié)構(gòu)強度有一定削弱，所以結(jié)構(gòu)強度要求高的區(qū)域應避免開孔等弱化結(jié)構(gòu)的設計。

(2)通過第二、三輪臺架試驗結(jié)果對比可知，懸置安裝點等結(jié)構(gòu)強度要求高的區(qū)域盡可能將安裝面區(qū)域做大，保證安裝點附近可布置有效焊點，避免在安裝點附近出現(xiàn)臺階面無法焊接等容易造成應力集中的情況。

(3)通過此次整改引入了車身懸置安裝點強度臺架試驗，并規(guī)范了驗證工況，在后續(xù)車型開發(fā)過程中可以作為一種快速有效的方法來驗證車身結(jié)構(gòu)的強度。

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