基于CAE分析的輕卡地板可靠性優(yōu)化和驗證

許少楠，葉燦青，陳鵬飛，李鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CAE分析的輕卡地板可靠性優(yōu)化和驗證

許少楠，葉燦青，陳鵬飛，李鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

卡車駕駛室地板作為駕駛室承載部件、與駕駛室懸置的連接件，其可靠性至關(guān)重要。文章針對可靠性試驗的地板開裂的故障，結(jié)合CAE分析方法制定優(yōu)化方案，通過試驗驗證解決了開裂問題，消除安全隱患。

CAE；有限元分析；可靠性優(yōu)化；試驗驗證

CLC NO.:U461.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-137-03

引言

試驗場道路可靠性試驗是試驗樣車在試驗場內(nèi)特定的試驗道路上，按照特定的試驗規(guī)范駕駛來重現(xiàn)汽車在整個設(shè)計生命周期內(nèi)的疲勞損傷，該試驗是整車可靠性試驗最重要也是最常用的方法。通過這些道路試驗?zāi)軌蚰M客戶使用中的最惡劣工況，進而達到考核產(chǎn)品可靠性能的目的，能夠盡可能早的發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計問題，最大限度的降低工程風(fēng)險，縮短開發(fā)周期，提高汽車開發(fā)質(zhì)量[1]。

商用車白車身是內(nèi)外飾和部分底盤件的安裝基體，在車輛行駛過程中，承受著驅(qū)動、制動和轉(zhuǎn)彎等各種工況下的慣性力，同時承受路面和發(fā)動機等的多方激勵，其性能和可靠性直接關(guān)系著乘員乘坐舒適性和安全性，是車輛的關(guān)鍵指標之一[2]。本文針對試驗場道路可靠性試驗中發(fā)現(xiàn)的駕駛室地板開裂故障，結(jié)合CAE方法制定優(yōu)化方案，最終通過試驗驗證，達成駕駛室可靠性目標，消除安全隱患。

1 道路可靠性試驗評價方法

1.1 可靠性試驗道路構(gòu)成

完整的可靠性試驗通常包括磨合、高速環(huán)道、山路和強化路等過程，其中強化路是驗證駕駛室可靠性的主要部分，本車型的可靠性試驗強化路路面包括：窨井群、瀝青路、減速坎、鐵道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路等。試驗規(guī)范如表1所示，道路強化系數(shù)為15。

1.2 試驗結(jié)果評價

本車型的道路可靠性試驗強化路里程目標為8000km，將強化路道路試驗劃分為四個階段，根據(jù)各階段制定不同的試驗要求，具體狀態(tài)見表2所示。

2 道路可靠性試驗問題及原因分析

2.1 試驗問題

可靠性試驗車在強化路3262km時反饋白車身開裂故障，白車身示意圖如圖1所示，開裂位置集中在地板前部（圖1圈出位置），具體為地板左側(cè)縱梁前梁翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝孔位置發(fā)生開裂（圖2），左、右縱梁前梁多處翻邊圓角位置開裂（圖3）。

表1 強化路試驗規(guī)范

表2 白車身強化路試驗要求

圖1 白車身示意圖

圖2 左側(cè)縱梁前梁翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝孔位置開裂

2.2 故障原因分析

1）對駕駛室地板強度進行CAE分析，重點確認故障位置的應(yīng)力集中情況。分析工況及載荷見表3。

圖3 左、右縱梁前梁多處翻邊圓角位置開裂

表3 白車身強度分析工況載荷表

故障位置CAE分析結(jié)果見表4，縱梁前梁的屈服強度為400MPa，左縱梁前梁安裝點位置在驅(qū)動和沖擊工況下都超過了屈服極限；縱梁前梁翻邊位置在單輪懸空工況下應(yīng)力較大，結(jié)構(gòu)疲勞強度不足導(dǎo)致開裂。

表4 故障位置CAE分析結(jié)果

2）翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝點結(jié)構(gòu)如圖4所示，安裝螺母采用Q371B12_1.25，螺母牙數(shù)少、支撐面小，與第一層板縱梁加強板的單側(cè)搭接寬度為1.8mm，與第二層板縱梁的單側(cè)有效搭接寬度僅0.3mm，與第三層板縱梁前梁無有效搭接，間距0.7mm；若考慮實際情況中的焊接偏差，則配合狀態(tài)更不理想。此種結(jié)構(gòu)連接效果較差，一方面螺栓拉緊力作用易導(dǎo)致鈑金變形，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的安裝扭矩?zé)o法提升到使用需求；另一方面導(dǎo)致安裝點受力面積小，應(yīng)力集中，加之使用過程中各種應(yīng)力作用，螺栓-螺母連接將逐漸衰減和失效。

圖4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝點結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3 改進方案及驗證

3.1 改進方案

1）安裝點結(jié)構(gòu)優(yōu)化：翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝螺母開發(fā)專用件，加大支撐面，增加牙數(shù)，螺母輪廓尺寸見圖5；螺母改進的同時翻轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝螺栓也改為大法蘭面螺栓，安裝扭矩可以由原來的75N.m-96N.m提升到140N.m-160N.m，保證翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和白車身的連接強度和有效性，支撐面加大后也可以緩解安裝點的應(yīng)力集中。

圖5 專用螺母輪廓尺寸

2）縱梁前梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化：原縱梁前梁翻邊處開裂為應(yīng)力作用，翻邊兩側(cè)長期扭曲變形導(dǎo)致，對縱梁前梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化（圖6），增加翻邊自焊形成半封閉的盒狀結(jié)構(gòu)（圖7圈出位置），以提高結(jié)構(gòu)強度；CAE分析結(jié)構(gòu)顯示：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，左縱梁前梁翻邊開裂位置最大應(yīng)力由267.8MPa降低為137.7MPa，右縱梁前梁翻邊開裂位置最大應(yīng)力由459.6MPa降低為254.6Mpa（圖6）。

圖6 縱梁前梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化示意圖

圖7 縱梁前梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后CAE分析應(yīng)力云圖

3.2 方案驗證

縱梁前梁結(jié)構(gòu)和安裝螺母優(yōu)化應(yīng)用到新的試驗車輛之后，重新進行了試驗場道路可靠性驗證，車輛經(jīng)過10000km的強化路驗證，在強化路8772km時發(fā)現(xiàn)兩處縱梁焊點開裂，無其他故障反饋，滿足白車身可靠性要求。后期3臺量產(chǎn)車型也進行了試驗場道路可靠性驗證，均達成白車身可靠性驗證目標。

4 結(jié)論

輕卡車型的駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)多采用單扭桿形式，駕駛室行駛過程中扭桿對駕駛室地板始終有較大的扭矩作用，因此白車身地板前部在長期作用下容易產(chǎn)生疲勞開裂[3]，該問題是輕卡車型可靠性設(shè)計的難點之一，提升白車身的疲勞性能通常的方法為增加加強板[4]，此方法必然帶來重量的增加。本文結(jié)合CAE分析方法對地板故障原因進行排查，并且制定優(yōu)化方案，在幾乎不增加重量的情況下，最終實現(xiàn)了白車身可靠性目標的達成，保證車輛使用壽命，消除使用安全隱患。

[1] 王繼光,汽車耐久性試驗[J].科技創(chuàng)新論壇,2011(3).

[2] 黃天澤,黃金陵.汽車車身機構(gòu)與設(shè)計[M]. 北京∶機械工業(yè)出版社, 1997.

[3] ?；鄣?基于某輕卡白車身強度分析的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)優(yōu)化[J].汽車制造業(yè),2014 (5).

[4] 吳迪,某重卡腳踏板區(qū)域車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2015 28(1).

Reliability Optimization and Test of Light Truck Floor Based on CAE Analysis

Xu Shaonan, Ye Canqing, Chen Pengfei, Li Xin
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Bearing the weight of cab and linking up with cab mounting system，the truck floor’s reliability is extraordinary important. In allusion to floor cracking failure in reliability test;optimization scheme was established by CAE analysis method in this paper;making use of test validation,cracking problem was resolved and potential risk was eliminated.

CAE; finite element method; reliability optimization; test validation

U461.7

A

1671-7988 (2017)13-137-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.048

許少楠（1986-），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，從事商用車白車身開發(fā)工作。