檀慶榜

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心,河北保定 071000)

0 引言

車身設(shè)計(jì)過程中，要借助CAE仿真分析手段，滿足車身強(qiáng)度的前提下，以達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化及成本最低的目的。在車身設(shè)計(jì)過程中，由于成本、質(zhì)量的壓力會(huì)出現(xiàn)車身強(qiáng)度不足的情況出現(xiàn)，此時(shí)CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。CAE仿真分析的準(zhǔn)確性固然與建模的準(zhǔn)確性、輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性息息相關(guān)，同時(shí)與模型的運(yùn)動(dòng)分析模擬情況也更為直接。本文作者對(duì)某車型車箱開裂問題分析、改進(jìn)到驗(yàn)證整個(gè)過程的研究，找出了車箱鈑金開裂的原因及解決方案，為此部位開裂問題的研究提供了一個(gè)參考依據(jù)。

1 問題描述

車輛在廠區(qū)試驗(yàn)廠內(nèi)進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)開裂問題，故障里程為2 433～21 495 km，開裂位置為車箱邊板燈角處、邊板與加強(qiáng)板焊接(二保焊和點(diǎn)焊)位置。具體故障模式如圖1所示。

圖1 開裂圖示

2 原因分析

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，該車型車箱鎖體采用柱銷鎖型式，鎖體固定端安裝于車型邊板總成，鎖止端固定于車箱邊板總成。后板鉸鏈固定于車箱后板總成，通過一個(gè)螺栓固定于車箱板邊總成，同時(shí)該螺栓起到鉸鏈轉(zhuǎn)軸的作用。

如圖3所示,邊板外板與內(nèi)板通過支撐板連接，鉸鏈加強(qiáng)板在安裝鉸鏈位置為平板結(jié)構(gòu)，邊板外板與鉸鏈安裝板直接連接。

圖2 車箱后板布置爆炸圖

圖3 車箱邊板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)車加速度采集及應(yīng)力分析

2.2.1 加速度和應(yīng)力采集

依據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析，該問題振動(dòng)源應(yīng)為車箱后板振動(dòng)傳導(dǎo)至邊板鉸鏈加強(qiáng)板，再由鉸鏈加強(qiáng)板將振動(dòng)傳導(dǎo)至車箱邊板造成鉸鏈加強(qiáng)板及車箱邊板應(yīng)力過大，最終導(dǎo)致開裂問題出現(xiàn)。故對(duì)車箱后板進(jìn)行加速度采集，車同時(shí)對(duì)開裂部位進(jìn)行應(yīng)力采集。

由于材質(zhì)屈服強(qiáng)度在不同應(yīng)變速率下的屈服力差別較大,且隨著應(yīng)變速率的增加,低碳鋼的下屈服強(qiáng)度在逐漸增加[1]。邊板外板材質(zhì)為DC56 D+Z,屈服強(qiáng)度為120～180 MPa，3處開裂位置應(yīng)力最小為120 MPa，超出材料屈服強(qiáng)度。具體見表1和表2。

表1 加速度采集

表2 應(yīng)力采集

2.2.2 CAE仿真分析

使用Hyper works 軟件的Hyper mesh 模塊對(duì)3D 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。車箱總成為薄板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，故在Hyper mesh 中以各零部件中面為基礎(chǔ)，利用四邊形殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立車箱總成有限元模型，采用實(shí)體單元與剛性單元相結(jié)合的方式模擬焊縫，長(zhǎng)度與實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度相符，得到有限元模型[2]。

對(duì)開裂部位進(jìn)行總體受力分析，判斷車箱后板與邊板約束模型的情況存在兩種可能性：(1)后板與鉸鏈位置為轉(zhuǎn)動(dòng)約束，后板鎖位置由于柱銷鎖的特性使X向受到擠壓約束，Y、Z方向?yàn)樽杂杉s束；(2)車箱鉸鏈位置為轉(zhuǎn)動(dòng)約束，后板鎖位置X、Y、Z3個(gè)方向均為自由約束。以上兩種假想簡(jiǎn)稱力學(xué)CAE分析模型，結(jié)果見表3。

表3 CAE仿真分析結(jié)果

由表3可知當(dāng)鎖位置應(yīng)該是X、Y、Z3個(gè)方向均處于自由狀態(tài)時(shí)，分析結(jié)果與實(shí)車采集的各位置應(yīng)力值基本一致，可以判定該模型與實(shí)車狀態(tài)一致，需在此模型狀態(tài)下進(jìn)行方案驗(yàn)證。

2.3 解決方案制定

由第2.1節(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)論結(jié)合第2.2節(jié)CAE分析結(jié)果，可以判定是由于鉸鏈安裝位置偏軟并且車箱外板作為鉸鏈的承力件造成引起車箱相關(guān)外置開裂。整改思路為鉸鏈安裝板與車箱內(nèi)板間增加連接，形成盒型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化后結(jié)果

由表4可以看出優(yōu)化后3處應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

車箱后板位置運(yùn)動(dòng)約束模型應(yīng)為鉸鏈位置轉(zhuǎn)動(dòng)約束，鎖位置為自由狀態(tài)。鉸鏈安裝點(diǎn)等受力較大位置應(yīng)該與內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成封閉的盒型結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。分別通過4×104km試驗(yàn)場(chǎng)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證及5×104km中國西南、東南、西北地區(qū)實(shí)地耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，車箱后板位置無開裂現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。