某型SUV后扭梁開裂分析與優(yōu)化

徐昊地

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

后扭梁式后懸架是轎車后懸架的一種重要形式，在經(jīng)濟(jì)型轎車中得到廣泛的應(yīng)用。后扭梁懸架（半獨(dú)立懸架）操穩(wěn)性能較好、節(jié)省布置空間、造價(jià)較低。但舒適性不如獨(dú)立懸架，且容易出現(xiàn)開裂等強(qiáng)度問題[1]。日系轎車中，卡羅拉和威馳等都是采用扭梁作為后懸架，其憑借成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高超的金屬工藝成為后扭梁設(shè)計(jì)的標(biāo)桿。國內(nèi)后扭梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎應(yīng)用了當(dāng)前可量產(chǎn)的最好鋼材。文章采用抗拉強(qiáng)度為510 MPa的鋼材作為承擔(dān)扭梁扭轉(zhuǎn)變形的橫梁結(jié)構(gòu)。好的鋼材不僅要有較高的抗拉極限；較一致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（不容易產(chǎn)生缺陷）；較好的加工、成型及焊接等性能；同時(shí)，制造的工藝也比較重要，這關(guān)系到表面粗糙度、焊縫熔深及焊縫一致性等，這些都對(duì)扭梁設(shè)計(jì)的成敗起到關(guān)鍵作用。文章闡述了扭梁某處結(jié)構(gòu)缺陷的改進(jìn)過程。

1 開裂問題分析

1.1 問題描述

某型SUV后扭梁在路試試驗(yàn)中出現(xiàn)彈簧托盤與橫梁連接處開裂的現(xiàn)象（此位置之后論述簡稱小舌頭），且同側(cè)的彈簧托盤與橫梁縱向搭接臂的焊縫底部也出現(xiàn)開裂（此位置之后論述簡稱鵝脖子）。具體開裂位置有限元模型，如圖1所示，扭梁實(shí)際開裂的圖片，如圖2和圖3所示。

圖1 某型SUV后扭梁有限元模型和開裂處標(biāo)示

圖2 某型SUV后扭梁小舌頭處開裂照片

圖3 某型SUV后扭梁鵝脖子處開裂照片

1.2 優(yōu)化思路

利用有限元法對(duì)離散化的有限元模型進(jìn)行加載來模擬扭梁在實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)或?qū)嶋H路試狀態(tài)下的受力狀況，分析其剛度和強(qiáng)度（應(yīng)力、損傷等），再結(jié)合壞路試驗(yàn)的情況，利用剛強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)扭梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并用優(yōu)化的模型指導(dǎo)制造樣件，進(jìn)行路試驗(yàn)證并反饋結(jié)果，從而最終獲得合格的扭梁設(shè)計(jì)方案。

1.3 優(yōu)化方法選擇

1.3.1 道路試驗(yàn)

對(duì)于扭梁來說，驗(yàn)證扭梁的可靠耐久性，一般是把扭梁安裝在試驗(yàn)車上進(jìn)行道路試驗(yàn)。最終唯一的考核標(biāo)準(zhǔn)就是其能夠完成完整的道路試驗(yàn)規(guī)范所規(guī)定的試驗(yàn)里程。道路試驗(yàn)分為高速公路試驗(yàn)、山路試驗(yàn)及強(qiáng)化壞路試驗(yàn)三部分[2]。其中對(duì)扭梁損傷最大的就是強(qiáng)化壞路試驗(yàn)。強(qiáng)化壞路試驗(yàn)選擇在北京通縣試驗(yàn)場進(jìn)行。

試驗(yàn)車跑環(huán)形壞路，一個(gè)環(huán)形為一個(gè)循環(huán)周期，其中包括：扭曲路乙、石塊路丙、石塊路乙、卵石路乙、砂石路、搓板路丙、長波路及大長波路等壞路工況。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)跑完相應(yīng)的循環(huán)數(shù)扭梁不發(fā)生開裂，即為合格。

在這些壞路工況中，扭梁的各個(gè)硬點(diǎn)要承受各種不同方向和大小的載荷，表現(xiàn)出各種不同的姿態(tài)，大體上有扭轉(zhuǎn)姿態(tài)、上跳姿態(tài)、各向沖擊姿態(tài)及混合姿態(tài)。扭梁在這些姿態(tài)中，各硬點(diǎn)瞬時(shí)受到的載荷均不相同。

1.3.2 仿真模擬

為了模擬扭梁在各種路況下的應(yīng)力和損傷情況，有限元仿真分析一般分為兩大方向。

1）模擬各種簡單加載情況，如扭轉(zhuǎn)、彎曲及側(cè)向加載等，這種方法建模時(shí)的邊界條件選取相對(duì)簡單，且在扭梁研發(fā)前期可以很容易地跟臺(tái)架試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)（試驗(yàn)室也容易用作動(dòng)器加載這種工況），對(duì)扭梁性能的選擇也有參考作用，因此適用于研發(fā)前期。但是這種方法不能模擬路試中較為復(fù)雜的工況，一般無法找到開裂原因。

2）模擬多向加載情況，即模擬實(shí)際路試邊界條件，在這個(gè)方向上最貼近試驗(yàn)載荷狀態(tài)的方法就是用路譜導(dǎo)入疲勞軟件計(jì)算疲勞損傷，因?yàn)閷?shí)際路譜載荷（用ADAMS把軸頭6分力數(shù)據(jù)處理成扭梁各個(gè)硬點(diǎn)的時(shí)域力[3]）是和時(shí)間相關(guān)的變化力，因此不能用一般隱式求解有限元軟件計(jì)算疲勞損傷。未采用此方法是因?yàn)楫?dāng)時(shí)尚不具備此項(xiàng)能力。在多向加載的情況下，另一種方法是匯總工況法——用經(jīng)驗(yàn)匯總出導(dǎo)致車輛損壞的常用6種工況和濫用4種工況。其中常用6種工況可以理解為用戶日常使用中對(duì)整車強(qiáng)度考驗(yàn)較大的6個(gè)極限時(shí)刻（如快速轉(zhuǎn)向時(shí)、急剎車時(shí)及滿載過凸臺(tái)時(shí)受垂向沖擊等），而濫用4種工況則是汽車在極端載荷下受力狀態(tài)，濫用工況有側(cè)撞馬路牙、過坑制動(dòng)及前后撞擊等[4]。上述匯總工況方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，對(duì)于改型的結(jié)果反饋迅速，但由于是概括性工況，對(duì)實(shí)際路況的還原程度不如疲勞運(yùn)算。所以，在優(yōu)化方案確定后，還是需要用路譜疲勞計(jì)算來驗(yàn)證其可靠耐久性[5]。

文章選用多向加載下的第2種方法——匯總工況法。

1.4 優(yōu)化過程簡介

有限元模型采用5 mm殼單元建模。整個(gè)模型運(yùn)用慣性釋放法分析，常用靜力分析都是針對(duì)靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，即模型都是處于全約束或者過約束狀態(tài)，在整個(gè)加載過程中遵循小位移理論。而慣性釋放法可以模擬動(dòng)態(tài)狀態(tài)，即模型可以處于欠約束狀態(tài)。慣性釋放法會(huì)額外施加慣性力，慣性力的大小為物體的加速度乘以質(zhì)量，方向與加速度方向相反。這樣物體還是處于靜平衡狀態(tài)，可以用隱式靜力學(xué)軟件模擬動(dòng)態(tài)工況。

載荷采用在ADAMS中給整車系統(tǒng)施加對(duì)應(yīng)加速度，并提取出扭梁相關(guān)硬點(diǎn)的受力狀態(tài)[6]。經(jīng)過多輪驗(yàn)證，最終從常用6種工況中篩選出加速度為1 g的轉(zhuǎn)向工況和加速度為3 g的顛簸工況作為主要考核標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向工況權(quán)重更大。圖4～圖6分別示出加速度為3 g顛簸和1 g轉(zhuǎn)向工況下的邊界條件（力、力矩加載圖）及變形圖。

圖4 某型SUV后扭梁顛簸工況邊界條件仿真圖（加速度為3 g）

圖5 某型SUV后扭梁轉(zhuǎn)向工況邊界條件仿真圖（加速度為1 g）

圖6 某型SUV后扭梁顛簸和轉(zhuǎn)向工況變形仿真圖

由于小舌頭和鵝脖子2處開裂點(diǎn)距離較近，在對(duì)扭梁的應(yīng)力分析中，首先要確定小舌頭和鵝脖子2處開裂是否有因果關(guān)系，是不是一處開裂導(dǎo)致另一處開裂，也就是說：哪一處是原始開裂點(diǎn)。

由于試驗(yàn)記錄未給出明確的2處開裂時(shí)間順序，因此嘗試用CAE分析模擬開裂過程。通過對(duì)顛簸和轉(zhuǎn)彎工況的應(yīng)力分析，采取先通過有限元模擬的3種方案：1）相同工況下小舌頭和鵝脖子哪處應(yīng)力更大；2）小舌頭失效觀察鵝脖子處應(yīng)力增幅；3）鵝脖子失效觀察小舌頭處應(yīng)力增幅。其本質(zhì)思想就是物理試驗(yàn)中的控制變量法。

通過有限元分析結(jié)果對(duì)比并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象（試驗(yàn)失效的扭梁里鵝脖子開裂數(shù)量大于小舌頭，且鵝脖子和小舌頭幾乎處于同一側(cè)開裂），得出結(jié)論：鵝脖子先開裂，小舌頭次于鵝脖子開裂，但是并不一定是從屬關(guān)系。最終決定后續(xù)優(yōu)化方案的強(qiáng)度分析以2處應(yīng)力都降低為基礎(chǔ)，且優(yōu)先降低鵝脖子處的應(yīng)力。

2 優(yōu)化方案與驗(yàn)證

經(jīng)過多輪優(yōu)化，篩選出應(yīng)力降低最明顯的方案（某些方案更符合設(shè)計(jì)美學(xué)，但是已經(jīng)處于樣車路試階段，沒有足夠的資源和時(shí)間進(jìn)行探索），得出最終優(yōu)化方案：鵝脖子處加L型加強(qiáng)板+小舌頭斜上延長10 mm，如圖7所示。

圖7 某型SUV后扭梁優(yōu)化前后模型局部對(duì)比

加L型加強(qiáng)板會(huì)大幅降低鵝脖子處的應(yīng)力，而且對(duì)小舌頭處傳遞的力也有分擔(dān)作用。而小舌頭斜向上延長10 mm是在參考其他車型的扭梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，目的是降低彈簧托盤與橫梁之間的連接剛度，從而降低小舌頭處應(yīng)力。表1示出優(yōu)化前后開裂部位應(yīng)力對(duì)比。從表1可以看出，在關(guān)鍵轉(zhuǎn)向工況下，鵝脖子應(yīng)力從195.6 MPa降低到135.7 MPa，降低近30%。

表1 某型SUV后扭梁改進(jìn)前后方案應(yīng)力對(duì)比 MPa

經(jīng)過試制，最終將改型后的扭梁安裝在試驗(yàn)車上進(jìn)行壞路路試，路試結(jié)果表明，扭梁在規(guī)定的里程內(nèi)未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此可以進(jìn)行量產(chǎn)。該方案也證明了優(yōu)化思路和方法的準(zhǔn)確性。圖8示出優(yōu)化后的扭梁局部照片。

圖8 某型SUV后扭梁改型后照片

3 結(jié)論

為了在樣車路試階段緊急修補(bǔ)后扭梁開裂問題，在綜合分析3種有限元仿真方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可行性分析和有限元結(jié)果對(duì)比歸納，最終篩選出帶慣性釋放的1 g轉(zhuǎn)向和3 g顛簸工況進(jìn)行強(qiáng)度校核和優(yōu)化，使關(guān)鍵處應(yīng)力降低了30%以上。對(duì)優(yōu)化出的試件進(jìn)行試制和試驗(yàn)，最終扭梁通過了路試試驗(yàn)考核。在量產(chǎn)前解決了開裂問題。并為今后扭梁設(shè)計(jì)提供可借鑒的方法。