某車型側(cè)門框開裂問題的研究和改進(jìn)

黃霞，羅寥，候路（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢430057）

某車型側(cè)門框開裂問題的研究和改進(jìn)

黃霞，羅寥，候路
（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢430057）

針對某車型側(cè)門框鈑金疲勞開裂的問題，本文通過CAE仿真分析和應(yīng)力應(yīng)變測試，并結(jié)合車輛實(shí)際生產(chǎn)及使用情況，找出了門框鈑金開裂的根本原因及解決方案，闡述了該問題的研究思路和方法。改進(jìn)后的方案通過了道路試驗驗證。

側(cè)門框； 開裂；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在車身輕量化過程中，隨著功能設(shè)計向性能設(shè)計的轉(zhuǎn)變，很容易出現(xiàn)白車身強(qiáng)度不足的問題。其中，車身開裂嚴(yán)重的影響了車輛的壽命和使用舒適度。如果是外覆蓋件開裂，還會影響車輛的品牌形象及用戶滿意度。造成白車身開裂的原因很多，設(shè)計、成型工藝、焊接質(zhì)量、使用路況、氣候環(huán)境及用戶使用習(xí)慣等都有可能成為開裂的因素之一。

由于白車身開裂的隨機(jī)性，要找到開裂的根本原因非常困難。本文所研究的車型，故障現(xiàn)象位于側(cè)門框上部前后角外板搭接處，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，多層鈑金配合，開裂原因復(fù)雜，問題比較典型。本文通過對設(shè)計、分析、改進(jìn)到驗證整個過程的研究，找出了門框鈑金開裂的原因及解決方案，也為以后其它同類問題的研究提供了一個參考依據(jù)。

1　問題描述

該開裂問題主要出現(xiàn)在某批營運(yùn)客車上。車輛用于短途運(yùn)輸，行駛路面為國道，路況較好，初次市場故障里程約30000～40000km，開裂位置為側(cè)門框上部前后角外板搭接處，其中后角部開裂現(xiàn)象比前角部嚴(yán)重。具體故障模式見圖1：

2　原因分析

車身在動態(tài)行駛過程中，需要承受多種載荷，這導(dǎo)致白車身的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，確定開裂根源比較困難，很難總結(jié)出定性的規(guī)律。以下分別從設(shè)計、CAE分析、試驗測試、生產(chǎn)現(xiàn)狀及車輛使用狀態(tài)幾個方面進(jìn)行分析。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)說明

車身開裂處位于側(cè)門框上方中外板與前、后外板搭接處，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，具體見圖2：

2.2CAE分析

在HYPEMESH軟件中對車身數(shù)據(jù)模型按10x10mm的尺寸劃分網(wǎng)格單元，分析彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況下開裂部位的強(qiáng)度。在彎曲工況下，前端約束前懸架安裝處，后端約束板簧安裝孔，對地板施加Z向均布載荷（座椅和人的重量）。在扭轉(zhuǎn)工況下，前端約束左、右前懸架安裝處中點(diǎn)，后端約束板簧安裝孔，對左、右前懸架安裝處中點(diǎn)施加繞X軸轉(zhuǎn)矩（1.03e+7 N.mm）進(jìn)行加載。所有約束點(diǎn)均約束X、Y、Z三個方向的平動及轉(zhuǎn)動共6個自由度。設(shè)計狀態(tài)CAE分析結(jié)果見圖3：

DX54D材料的抗拉強(qiáng)度≥270MPa，屈服強(qiáng)度為140 MPa 。CAE分析結(jié)果表明，按照原設(shè)計狀態(tài)，開裂部位最大應(yīng)力發(fā)生在扭轉(zhuǎn)工況下，為48.3 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會發(fā)生開裂現(xiàn)象。

2.3試驗測試

為了分析開裂產(chǎn)生的原因，了解開裂部位的應(yīng)力水平，對車輛在石塊路、搓板路一、搓板路二及丙扭曲路四種工況下的應(yīng)力應(yīng)變值進(jìn)行了實(shí)車試驗［1］。試驗采用單向應(yīng)變片，應(yīng)變片的粘貼方向由試驗人員根據(jù)對車輛的主觀評價并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗進(jìn)行確定。應(yīng)變片的粘貼位置見圖4，測試結(jié)果見表1：

從表1測試結(jié)果可以看出：

1）四種工況下前上角#1點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值均大于#2點(diǎn)；

2）四種工況下后上角#4點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值最大；

3）四種工況下后上角#3點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值均大于#5點(diǎn)；

4）#1點(diǎn)、#2點(diǎn)在石塊路和搓板路上應(yīng)力應(yīng)變值較大，#3點(diǎn)、#4點(diǎn)、#5點(diǎn)在搓板路和丙扭曲路上應(yīng)力應(yīng)變值較大；

5）都沒超過材料屈服強(qiáng)度，說明是疲勞造成的開裂［2］ ［3］。

2.4生產(chǎn)現(xiàn)狀

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于焊接時工裝夾具及工人操作因素的影響，產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)存在一些差異，具體體現(xiàn)在以下兩個方面。

1）側(cè)門前、后上角部在實(shí)際焊接時，由于夾緊機(jī)構(gòu)的影響，導(dǎo)致焊鉗空間不足，造成焊點(diǎn)數(shù)量與設(shè)計不符，具體見圖5。#1和#3位于曲面上，由于點(diǎn)焊后外表面熔坑太深，超過了料厚的20%，影響外觀質(zhì)量［4］，實(shí)際沒有焊。#5由于焊鉗操作空間不足，實(shí)際沒有焊。

表1　應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果

2）側(cè)門前、后上角部加強(qiáng)板在實(shí)際生產(chǎn)時，沒有規(guī)范施涂結(jié)構(gòu)膠，導(dǎo)致加強(qiáng)板與外板間局部存在間隙，沒有有效連接。具體見圖6：

按照實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，對側(cè)門框進(jìn)行CAE仿真分析，約束條件同前，具體分析結(jié)果見圖7：

CAE分析結(jié)果表明，門框后上角最大應(yīng)力發(fā)生在扭轉(zhuǎn)工況下，為117.2 MPa，已經(jīng)接近材料的屈服強(qiáng)度，存在疲勞開裂的風(fēng)險。門框前上角的最大應(yīng)力為82.7 Mpa，發(fā)生在彎曲工況下，也存在一定風(fēng)險。

2.5實(shí)車狀態(tài)

通過對故障車輛實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)車輛行駛路況較好，與其它未開裂車輛主要差異在于側(cè)滑門使用過于頻繁，再加上側(cè)滑門開啟機(jī)構(gòu)自身的原因，車門開啟不暢，開關(guān)門力較大，尤其是車門完全開啟的瞬間，對側(cè)門框后上角的沖擊較大，導(dǎo)致側(cè)門框上部鈑金疲勞損傷，加劇了開裂問題的發(fā)生。

2.6原因匯總

通過上述分析，不難看出，影響側(cè)門框上角開裂的原因主要如下：

1）由于生產(chǎn)中#1、#3、#5點(diǎn)缺焊，導(dǎo)致側(cè)門框上方前后角強(qiáng)度不足，造成車體開裂，這與表1試驗測試中#1、#3點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值較大是吻合的。

2）由于后上角加強(qiáng)板尺寸較小，尤其是與后外板配合面積小，且涂膠不均勻，導(dǎo)致后上角強(qiáng)度不足，外板搭接處兩邊受力不均，后端應(yīng)力偏大。此外由于結(jié)構(gòu)膠為液狀，需要經(jīng)涂裝高溫固化后才能起作用，如果兩層板型面不貼合，存在間隙，即使涂了結(jié)構(gòu)膠，也不能起到完全結(jié)合的目的，導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足。這與表1在試驗測試中#4點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值急劇增大是吻合的。

3）由于側(cè)滑門開關(guān)不暢，加劇了側(cè)門框開裂問題的發(fā)生。由于側(cè)門全開瞬間對車體的沖擊，后上角受到的外界沖擊力要大于前上角。

4）由于上述第2）、3）條的原因，導(dǎo)致后上角開裂程度比前上角嚴(yán)重。

3　解決方案

根據(jù)上述分析，從多個方案中選擇了以下兩個改進(jìn)方案進(jìn)行重點(diǎn)分析，具體見表2：

3.1新方案CAE分析結(jié)果

按前面采用的約束條件對改進(jìn)方案進(jìn)行CAE仿真分析，分析結(jié)果分別見圖8、圖9和表3：

從表3可以看出，相對實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，方案1后上角在扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力還有91.9 Mpa，改善不明顯。方案2則明顯優(yōu)于方案1，應(yīng)力值最少下降了46.1%，最多下降了85%，改進(jìn)后后上角開裂處最大應(yīng)力只有17.6 Mpa，前上角開裂處最大應(yīng)力只有22.6 Mpa，比原設(shè)計狀態(tài)應(yīng)力還要小，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度140 MPa。

3.2試驗驗證結(jié)果

按照上述改進(jìn)方案分別試制了2臺車，進(jìn)行了3000km凸凹不平壞路整車道路可靠性試驗（其中石塊路1722km，搓板路124km，丙扭路37 km，長波路124 km，連接路993 km），折合市場里程約51000km，超過了首次故障里程。試驗后，方案1門框后上角應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，開裂位置出現(xiàn)在搭接邊之后，且開裂現(xiàn)象加重，方案2沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象，具體見圖10。這說明方案1后上角前部貼結(jié)構(gòu)膠帶局部得到了加強(qiáng)，而后部過于薄弱，兩邊受力不均，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移；方案2由于后上角加強(qiáng)板尺寸變大，后部強(qiáng)度得到了加強(qiáng)，故沒有發(fā)生開裂現(xiàn)象。這與表1中原車側(cè)門框后上角沒有加強(qiáng)前#4點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值急劇變大也是吻合的。

表3　CAE分析結(jié)果對比

通過上述對比可見，方案2對于解決側(cè)門框上角部開裂問題是有效的。由于是搭載試驗，只跑了3000 km壞路，這對于驗證白車身的疲勞耐久是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要在后期繼續(xù)進(jìn)行試驗驗證。

4　結(jié)束語

白車身總成作為整車關(guān)鍵總成，強(qiáng)度指標(biāo)一直是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性能。本文在研究過程中，驗證手段為CAE分析和道路試驗驗證，但是對于商用車來說，道路試驗不能全部反應(yīng)白車身應(yīng)該具有的疲勞壽命［4］，而現(xiàn)階段CAE分析結(jié)果與實(shí)際情況還存在一定差距。CAE分析結(jié)果不能說明開裂對策一定有效，只能作為改善前后的對比依據(jù)。因此該課題還需要在后期繼續(xù)驗證并跟蹤了解市場反饋情況。通過上述對側(cè)門框上方前后角開裂問題的分析改進(jìn)，可以得出以下結(jié)論：

1）生產(chǎn)中焊點(diǎn)數(shù)量、位置及涂膠情況與設(shè)計不符，是造成鈑金開裂的重要原因。

2）后上角加強(qiáng)板設(shè)計尺寸過小，是造成后上角后部應(yīng)力應(yīng)變急劇變化的重要因素。

3）側(cè)門開啟不暢，開閉力過大加劇了側(cè)門框上方鈑金疲勞開裂問題的發(fā)生。

4）通過對焊接工藝受限的位置采用液體及帶狀結(jié)構(gòu)膠連接，加大加強(qiáng)板尺寸，增加鈑金搭接處的受力面積可以降低應(yīng)力集中，提高局部連接強(qiáng)度，有利于解決側(cè)門框上角部鈑金疲勞開裂問題。

［1］ 梁會仁.某商用車駕駛室地板開裂問題分析研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］ 刑志偉.基于振動疲勞的車身疲勞分析方法研究［D］. 河南工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］ 許冰.某微型客車車身門框疲勞耐久分析及優(yōu)化設(shè)計［D］.吉林大學(xué)，2011.

［4］ 柏鐵彬.商用車白車身開裂問題的研究和改進(jìn)［D］.吉林大學(xué)，2013.

［5］ 吳振宇.基于真實(shí)路況的車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法研究［D］.湖南大學(xué)，2014.

專家推薦

秦信武：

本為針對客車門框開裂問題，從結(jié)構(gòu)、制造、受力進(jìn)行了較全面的分析，采用車身扭轉(zhuǎn)工況分析了開裂部位的應(yīng)力水平，確認(rèn)為疲勞開裂。通過兩個改善方案的白車身扭轉(zhuǎn)工況的受力對比分析以及實(shí)車驗證，確定了最終的改善措施。該方法盡管不能安全模擬實(shí)車工況，但對用于設(shè)計改進(jìn)的對比分析比較快和有效。

The Cracking Research and Improvement for Side Door Frame of A Certain Vihicle

HUANG Xia, LUO Liao, HOU Lu
（ Commercial Product R&D Institute, Dongfeng Automobile Co., Ltd., Wuhan 430057, China ）

To solve the problem of a certain vehicle's side door frame fatigue cracking, related CAE simulation analysis, stress and strain test and the vehicles' practical manufacturing and operation situation are studied. This article locates the real reasons and solutions to solve the problem, then explains the research processes and methods of this problem. Improved solutions has been verified by road tests.

side door frame； cracking； structure optimization

U463.82

A

1005-2550（2016）03-0092-06