某商用車前保險(xiǎn)杠開裂問題分析及優(yōu)化

李金龍，胡鵬，馬媛媛，肖攀，周建文

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401100）

某商用車前保險(xiǎn)杠開裂問題分析及優(yōu)化

李金龍，胡鵬，馬媛媛，肖攀，周建文

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401100）

針對某商用車前保險(xiǎn)杠在耐久性能道路試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的開裂問題，基于前保險(xiǎn)杠總成及車身的CATIA數(shù)據(jù)，使用有限元分析軟件建立了前保險(xiǎn)杠有限元分析模型。通過有限元分析的方法找出前保險(xiǎn)杠開裂原因，并結(jié)合性能、成本、可行性提出優(yōu)化方案，成功解決了前保險(xiǎn)杠開裂問題。

前保險(xiǎn)杠；開裂；有限元分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-19-03

引言

汽車在使用過程中承受著來自道路的各種載荷作用。所以在汽車上市之前要對試驗(yàn)車進(jìn)行強(qiáng)化路面的疲勞路試驗(yàn)證。汽車車身及各個(gè)部件要有足夠的剛度保證其裝配性能及使用要求，并且要有足夠的強(qiáng)度保證其結(jié)構(gòu)性能及壽命。疲勞耐久路試就是為了驗(yàn)證汽車車身及零部件是否滿足設(shè)計(jì)要求。路試中往往會(huì)發(fā)生一些車身結(jié)構(gòu)的開裂等問題。針對汽車車身及部件在路試中出現(xiàn)的開裂問題，通常利用有限元方法分析出損壞的原因[1]，找到危險(xiǎn)區(qū)域并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文以某商用車在道路試驗(yàn)中出現(xiàn)的前保險(xiǎn)杠開裂問題為例，采用有限元分析的方式分析開裂原因并提出優(yōu)化方案，成功解決了該車前保險(xiǎn)杠開裂問題。

1 前保險(xiǎn)杠開裂問題描述

某商用車開發(fā)人員在強(qiáng)化耐久道路進(jìn)行道路試驗(yàn)過程中，在綜合道路試驗(yàn)進(jìn)行了4000km左右時(shí)，多臺(tái)試驗(yàn)樣車前保險(xiǎn)杠出現(xiàn)了開裂失效問題。需要有針對性的對該開裂問題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案。前保險(xiǎn)杠開裂位置如圖1所示。

圖1 前保險(xiǎn)杠開裂位置圖

2 前保險(xiǎn)杠開裂問題原因分析

2.1 前保險(xiǎn)杠總成構(gòu)成型式

前保險(xiǎn)杠總成主要包括：前保險(xiǎn)杠本體；前保險(xiǎn)杠格柵；前保險(xiǎn)杠上部、中部、下部、左右安裝支架；左右霧燈。

前保險(xiǎn)杠本體材料為PP+E/P-T20；前保險(xiǎn)杠格柵材料為ABS；安裝支架材料為DC01。

2.2 前保險(xiǎn)杠開裂原因初步分析

前保險(xiǎn)杠在汽車行駛過程中會(huì)受到路面、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等激發(fā)的振動(dòng)。有些惡劣工況會(huì)讓車身及部件承受較大的載荷。由路面引起的強(qiáng)烈顛簸、左右轉(zhuǎn)向、前后剎車等工況都會(huì)產(chǎn)生較大的加速度。

該前保險(xiǎn)杠開裂有以下特點(diǎn)：

1）裂紋產(chǎn)生的較快，四天路試即會(huì)引起開裂并且擴(kuò)展速度很快。

2）前保險(xiǎn)杠搭接在前大燈下方掛點(diǎn)的前保本體移到了掛點(diǎn)下方，說明前保險(xiǎn)杠在路試中位移較大，如圖1所示。

試驗(yàn)車輛前保險(xiǎn)杠在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)裂紋，說明該前保險(xiǎn)杠是在高應(yīng)力的情況下發(fā)生低周應(yīng)變疲勞失效。低周應(yīng)變疲勞失效的特點(diǎn)是破壞區(qū)域應(yīng)力較大[2]，接近或超過材料屈服強(qiáng)度。降低開裂位置應(yīng)力是解決該問題的有效方法。

2.3 前保險(xiǎn)杠有限元模型的建立

為了得到最真實(shí)的前保險(xiǎn)杠的邊界條件，本文截取車身前端500mm和前保險(xiǎn)杠總成的CATIA數(shù)模，利用Hypermesh軟件建立有限元模型[3]。鈑金件及前保險(xiǎn)杠塑料件采用shell單元?jiǎng)澐?，單元尺?mm。實(shí)體部件用四面體單元進(jìn)行劃分，單元尺寸3mm。螺栓及卡接用RBE2單元進(jìn)行模擬，點(diǎn)焊用HEX+RBE3單元進(jìn)行仿真。最終得到的有限元模型含單元328169個(gè)、節(jié)點(diǎn)256110個(gè)。左右霧燈分別在質(zhì)心配重1Kg。有限元模型如圖2所示：

前保險(xiǎn)杠總成中所使用的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)介紹

本文只針對前保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度進(jìn)行仿真，驗(yàn)證前文對開裂原因的初步推測。仿真工況介紹及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：

表2 強(qiáng)度仿真工況介紹

2.4 仿真分析結(jié)果

通過計(jì)算得到前保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度仿真結(jié)果。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示：

1）工況1及工況2最大應(yīng)力均未超過目標(biāo)值，滿足前保險(xiǎn)杠材料性能要求。

2）工況3前保險(xiǎn)杠的最大應(yīng)力超過了材料目標(biāo)值，不滿足前保險(xiǎn)杠材料性能要求。其應(yīng)力云圖如圖3所示。結(jié)果云圖顯示最大應(yīng)力所在位置與實(shí)際開裂位置一致，驗(yàn)證了前文對開裂原因的推斷。

工況3的最大應(yīng)力已經(jīng)超過了材料屈服強(qiáng)度，會(huì)引起材料的塑性變形，所以短時(shí)間的道路試驗(yàn)就會(huì)引起前保險(xiǎn)杠的開裂。提出優(yōu)化方案降低前保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力就能解決開裂問題。

圖3 Z-5g工況應(yīng)力云圖

2.5 前保險(xiǎn)杠的優(yōu)化方案

分析該前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)及受力情況可知：

1）前保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力位置過于薄弱，需要對該位置增加寬度和厚度進(jìn)行加強(qiáng)杜。但前保險(xiǎn)杠涉及到產(chǎn)品的外觀，所以不能輕易對造型進(jìn)行改動(dòng)。所以這個(gè)優(yōu)化方向是不可實(shí)施的。

2）左右、中部、下部安裝支架較為薄弱，在Z-5g工況中變形加大，對重力的支撐作用不夠。大部分重力由上部安裝點(diǎn)承擔(dān)，所以最大應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)在起連接作用的格柵邊框連接處。增加其他支架對Z向載荷的支撐作用將有利于減小格柵連接處的最大應(yīng)力。

圖4 左右安裝支架加強(qiáng)板

考慮到性能、可實(shí)施性、成本等因素，對三個(gè)薄弱的安裝支架提出以下優(yōu)化加強(qiáng)方案：

建議一：前保險(xiǎn)杠中部安裝支架從1.0mm增加到2.5mm。

建議二：前保兩側(cè)安裝支架增加兩塊加強(qiáng)板（淺黃色及藍(lán)色加強(qiáng)板），厚度為1.5mm；如圖4所示。

建議三：前保下端安裝支架增加Z向的加強(qiáng)支架與車架相連，直徑8mm。如圖5所示。

圖5 下安裝點(diǎn)加強(qiáng)支架

將以上優(yōu)化方同時(shí)實(shí)施，仿真得到優(yōu)化后的前保險(xiǎn)杠總成強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。結(jié)果顯示優(yōu)化后的前保險(xiǎn)杠總成滿足了加速度工況的強(qiáng)度性能要求。

表4 優(yōu)化后仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

通過建立前保險(xiǎn)杠總成的有限元模型，對前保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度進(jìn)行分析，找到了該前保險(xiǎn)杠的開裂原因。根據(jù)有限元分析結(jié)果，綜合結(jié)構(gòu)性能、可實(shí)施性及成本等因素，提出三個(gè)優(yōu)化方案。加強(qiáng)后的前保險(xiǎn)杠最大應(yīng)力從22.0MPa降低為8.3MPa，滿足了材料的強(qiáng)度性能要求。

利用有限元方法分析得到開裂問題的原因，提出優(yōu)化方案并成功解決了前保險(xiǎn)杠開裂問題。有限元方法的使用有利于縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

[1] 胡玉梅.車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論與CAE分析技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社.2009.

[2] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M]. 武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

[3] 王鈺棟,金磊,洪清泉.HyperMesh&Hyper-View應(yīng)用技巧[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2014.

Analysis and Optimization of Cracking of Front Bumper of Commercial Vehicle

Li Jinlong, Hu Peng, Ma Yuanyuan, Xiao Pan, Zhou Jinwen
( Chian Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd, Chongqing 401100 )

A front bumper appeared a crack in the fatigue road test. In order to solve the problem of the crack, a finite element model of the front bumper was established. At first, Found the cause of cracking by the finite element analysis. then put forward a reasonable optimization program.

Front bumper; crack; FEA

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-19-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.008

李金龍，男，就職于中國汽車工程研究院股份有限公司。整車性能分析工程師，碩士，汽車CAE強(qiáng)度耐久方向。