余慶杰 王華武 劉宗晟 郎寶永

摘 ?要：本文闡述了某卡車在可靠性試驗中擋泥板支架和保險杠失效問題的分析應(yīng)對過程，描述通過CAE分析、結(jié)構(gòu)材料工藝分析、實車驗證的過程，總結(jié)了可參考借鑒的分析應(yīng)對方法。

關(guān)鍵詞：可靠性試驗; 結(jié)構(gòu)件失效; 分析應(yīng)對

中圖分類號：U466 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）02-0088-05

Analysis And Countermeasures Of Structural

Member Failure In Reliability Test

YU Qing-jie， WANG Hua-wu， LIU Zong-sheng， LANG Bao-yong

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical， Wuhan 430056， China）

Abstract： In this paper， the analysis and response process of fender support and bumper failure in reliability test of a truck has been described. According to the results of CAE analysis， structural material process analysis and real vehicle verification， the analysis ?methods that can be used has been summarized.

Key Words： Reliability Test; ?Structural Member Failure; ?Analysis And Response

1 ? ?某卡車擋泥板支架失效分析

1.1 ? 問題描述

某卡車在進行可靠性試驗中壞路試驗154Km時（輔助里程1009Km），左前輪后擋泥板支架斷裂，斷裂處為懸臂直管根部與鑄件支座的焊接處。通過焊接斜撐向前旋轉(zhuǎn)30°，適應(yīng)車架高度，并將管徑由2.5mm增至3mm，并于壞路試驗154Km時進行換裝，當(dāng)壞路試驗行駛至2763Km時，改制換裝件在直管根部出現(xiàn)斷裂，斷裂位置與前期相同，仍為軸管與支座焊接處斷裂。如圖1擋泥板支架根部斷裂失效。

1.2 ? 擋泥板支架斷裂問題分析

（1）CAE分析及結(jié)論：振動疲勞導(dǎo)致軸管根部斷裂。

強度分析（垂向加速度：10g，前后加速度：5g），原擋泥板支架最大應(yīng)力78Mpa（軸管根部），為軸管材料的屈服極限的34%，判斷支架強度足夠。改制擋泥板支架的斜撐受車架高度限制，為向前旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，支架后下角局部應(yīng)力達到219Mpa，據(jù)此判斷斜撐的作用不可或缺，且若斜撐在軸管正下方效果最好。

模態(tài)分析：在整車模態(tài)分析中，原擋泥板支架的軸管存在10.1Hz、23.8Hz、26.3Hz三個明顯振動模態(tài)，均會導(dǎo)致軸管根部振動疲勞破壞，其中10.1Hz為車架扭轉(zhuǎn)帶動，無法規(guī)避;26.3Hz與發(fā)動機怠速激勵26.7Hz十分接近，有明顯共振趨勢。如圖原擋泥板支架應(yīng)力及三個支架振型。

采用帶斜撐的改制擋泥板支架，軸管根部的振動受到削弱和抑制，支架自身振動模態(tài)改至25.3Hz，但是仍未能與26.7Hz相差2Hz以上，即仍存在發(fā)動機激勵共振問題，為造成軸管再次斷裂的主因。如圖3改制擋泥板支架應(yīng)力及1個支架振型。

（2）結(jié)構(gòu)、材料和工藝分析及結(jié)論：單根懸臂直管結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動。管材料變更及焊接位置均削弱了支架性能。

結(jié)合前期的各種類型擋泥板支架CAE分析，基本可以明確單根懸臂直管抗振動疲勞能力較差，在軸管根部容易破壞。

原擋泥板支架軸管材料初始設(shè)計為冷拔管，后降成本改為卷焊管。這種變更存在料厚不足和性能降低，在軸管根部與鑄件支座沿周滿焊焊接（手工電弧焊），進一步降低了焊接部位的性能。

1.3 ? 擋泥板支架斷裂應(yīng)對處理

臨時措施：按照理論上的性能改善方向進行建模、分析及試制換裝樣件，進行驗證。

懸臂直管根部與鑄件支座滿焊更改為折彎管豎直段與拼焊支座兩側(cè)焊接;向前偏轉(zhuǎn)且分散的斜撐更改為上下對齊的閉合撐管結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)減輕了焊接對材料的損傷，在受力集中的圓管根部折彎處采用整根圓管結(jié)構(gòu)，并通過斜撐形成閉合的加強結(jié)構(gòu)，提升了整個支架的強度和剛度。如圖4 擋泥板支架結(jié)構(gòu)材料工藝改善。

進行CAE分析驗證判斷，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力為45Mpa，支架上端焊接處的應(yīng)力為77Mpa，判斷強度無風(fēng)險;在0至50HZ區(qū)間，支架振動模態(tài)16.6Hz （同電瓶框一起隨車架振動）;26.7Hz附近的三個模態(tài)為25.2Hz、26.3Hz 、27.9Hz，均不是支架振動，判斷無共振風(fēng)險。如圖5擋泥板支架改進后的模態(tài)與應(yīng)力。

臨時制件、換裝、試驗驗證，在壞路3241Km更換驗證件，隨整車壞路試驗至5018Km結(jié)束，故障未再發(fā)生。如圖6 改進后實車驗證。

2 ? ?某卡車保險杠失效分析

2.1 ? 問題描述

某卡車在可靠性試驗中的壞路試驗2763Km時（輔助里程1009Km），發(fā)現(xiàn)前保險杠右側(cè)過渡支架（與保險杠本體焊接，與保險杠支架裝配）與保險杠本體脫焊，在支架上的3個原焊點處形成圓形孔洞;與保險杠蒙皮相連的側(cè)轉(zhuǎn)向燈支架左上角局部開裂，裂紋位于支架的折彎上下轉(zhuǎn)角處。如圖7保險杠支架脫焊及開裂失效。

2.2 ? 保險杠支架脫焊及開裂問題分析

（1）CAE分析及結(jié)論：強度和模態(tài)分析顯示無脫焊及開裂的必然性。

強度分析（垂向加速度：4g，前后及側(cè)向加速度：2.5g），保險杠右端范圍內(nèi)，最大應(yīng)力為43Mpa，位于保險杠蒙皮（DC04，屈服極限約120Mpa）的最上焊點的附近，判斷理論上強度無問題;支架設(shè)計材料為Q235，實際使用材料為20號鋼，屈服強度σs為245Mpa，理論上不會先于蒙皮被破壞。

模態(tài)分析：在整車模態(tài)分析中，前保險杠50Hz以內(nèi)的自身振動模態(tài)分別為34.2Hz、37.與發(fā)動機怠速激勵26.7Hz相差很遠(yuǎn)，理論上不會產(chǎn)生共振。如圖8保險杠應(yīng)力及模態(tài)分析。

（2）結(jié)構(gòu)、材料及工藝分析及結(jié)論：主要原因為制造質(zhì)量缺陷。

制造工藝分析：焊接凹陷率過大為失效的主要原因（>20%），焊槍未打磨，局部變形;焊核直徑小于設(shè)計值6mm也是不利因素，（現(xiàn)場）焊點分布依靠人工控制，存在一定的隨意性;均為制造原因。

結(jié)構(gòu)分析：過渡支架厚度為1mm，相對較薄，對于人工焊接，有一定的凹陷率過大后脫焊風(fēng)險。如圖9保險杠焊接制造及工藝缺陷。

（3）關(guān)聯(lián)性分析：判斷過渡支架脫焊在先，脫焊后保險杠振動加劇，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向燈支架開裂;若過渡支架未脫焊，則轉(zhuǎn)向燈支架不會失效。

2.3 ? ?保險杠支架脫焊及開裂應(yīng)對處理

（1）臨時措施：失效保險杠進行支架補焊及開裂補焊。根據(jù)分析結(jié)論制定改善措施并制件，驗證提高可靠性系數(shù)的方案。

失效保險杠進行支架補焊及開裂補焊。采用二氧化碳保護焊進行補焊：過渡支架撕裂孔洞塞焊、周邊補焊;轉(zhuǎn)向燈支架裂縫補焊。

臨時制件：因保險杠后移40mm，原過渡支架需要切角導(dǎo)致焊點數(shù)及焊接面積進一步減少;同時為了提升可靠性，過渡支架厚度增至1.2mm，增加焊接面積，焊點數(shù)增至7個，支架翻邊更改為朝向車前。

（2）永久對策：綜合考慮FQCD（特性、質(zhì)量、成本、交貨期）的要求，進行設(shè)計改善并分析驗證。

進行CAE分析驗證，蒙皮的應(yīng)力為14Mpa，支架的應(yīng)力為37.74Mpa， 非焊點處，判斷強度無風(fēng)險，三個振型34.1Hz、36.8Hz、41.4Hz，判斷無共振風(fēng)險;

通過落實支架的沖壓工藝可行性，關(guān)閉一元表，發(fā)整改文件;與生產(chǎn)單位、質(zhì)量部門等落實制件、焊接工藝技術(shù)要求及質(zhì)量管控。如圖10保險杠結(jié)構(gòu)工藝綜合改善。

2.4 ? 保險杠換裝后狀態(tài)跟蹤

壞路2763Km原件出現(xiàn)開裂，于壞路3241Km更換驗證件（支架加厚至1.2，增加焊點和連接面積，焊接工藝改善），隨整車壞路試5018Km結(jié)束，故障未再發(fā)。如圖11保險杠改進實車驗證。

3 ? ?可靠性試驗中結(jié)構(gòu)件失效的分析應(yīng)對方法總結(jié)

3.1 ? 結(jié)構(gòu)件失效的現(xiàn)場分析

可靠性試驗中的結(jié)構(gòu)件失效方式多為開裂、脫焊、斷裂。對應(yīng)力集中或振動劇烈的部位，首先要對失效件進行實地分析，判斷是否存在制造缺陷，如虛焊、焊穿等，并分析失效的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，找出失效源頭。

3.2 ? 結(jié)構(gòu)件材料結(jié)構(gòu)工藝分析

針對結(jié)構(gòu)件而言，要分析其結(jié)構(gòu)形式、材料選型和加工工藝，研判是否存在結(jié)構(gòu)受力不合理、材料選型不當(dāng)、加工工藝對結(jié)構(gòu)本身造成損傷等， 作為后續(xù)進一步分析及改善設(shè)計的參考。

3.3 ? 結(jié)構(gòu)件在整車中的應(yīng)力及模態(tài)CAE分析

強度不足和振動疲勞是結(jié)構(gòu)件在可靠性試驗中破壞的重要原因，所以要在整車（底盤）環(huán)境下對結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力情況及模態(tài)進行CAE分析， 在應(yīng)力分析方面要根據(jù)結(jié)構(gòu)件所處的位置設(shè)定垂向及前后向載荷，應(yīng)力不應(yīng)超過材料的屈服強度的50%;在模態(tài)方面要分析整車環(huán)境下結(jié)構(gòu)件的振型特性與整車的發(fā)動機激勵、壞路激勵的相互關(guān)系，相隔在2Hz以內(nèi)，可判斷為易形成共振。

3.4 ? 綜合制定整改方案，CAE分析驗證

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料工藝和CAE應(yīng)力及模態(tài)的綜合分析，制定整改方案，確保結(jié)構(gòu)更趨合理、材料選擇適當(dāng)、減少加工工藝對材料本身的損傷，并進行CAE對比分析，直至應(yīng)力與模態(tài)均符合要求。對于工藝問題，需要同步提出工藝改善方案。

3.5 ? 搭載整車可靠性試驗實車驗證

根據(jù)整改方案快速制作試驗件，搭載一定里程的可靠性試驗進行驗證，通過實車檢驗整改效果，關(guān)閉問題。

4 ? ?結(jié)語

對于結(jié)構(gòu)件在可靠性試驗中的失效，要堅持實地調(diào)研與理論分析相結(jié)合、結(jié)構(gòu)材料工藝分析與CAE分析相結(jié)合，多方面快速響應(yīng)，綜合分析問題以鎖定關(guān)鍵因素，針對性制定整改方案并快速上車驗證。

參考文獻：

[1]張勝蘭.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M].北京.機械工業(yè)出版社.2007 .

[2]曹立波.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M]. 北京. 人民交通出版社.2012.

余慶杰

現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，任高級工程師，主要從事新能源整車設(shè)計工作。

專家推薦語

康 ? 明

東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所所長

材料科學(xué)與工程 ?研究員級高級工程師

本文通過對某卡車在可靠性試驗中擋泥板支架和保險杠失效問題的分析應(yīng)對過程的描述和改善，提出了通過CAE分析、結(jié)構(gòu)材料工藝分析、實車驗證相結(jié)合的分析應(yīng)對失效零件的改善方法。

本文數(shù)據(jù)可靠，理論正確，具有一定的新意和實用價值。