基于有限元的車(chē)輛可靠性增長(zhǎng)方法的研究

王磊，鐘瑞，裴永琪，王華棟

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710020）

基于有限元的車(chē)輛可靠性增長(zhǎng)方法的研究

王磊，鐘瑞，裴永琪，王華棟

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710020）

文章從有限元分析的角度研究了汽車(chē)可靠性在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)階段的實(shí)現(xiàn)方法，闡述了有限元分析在可靠性提升中的指導(dǎo)性意義。通過(guò)可靠性方法的總結(jié)和數(shù)據(jù)積累，為新車(chē)型的開(kāi)發(fā)提供幫助。

有限元；可靠性；整車(chē)設(shè)計(jì)

Abstract:This paper studies the realization method of vehicle reliability in design,production and experimental stage from the perpective of finite element analysis, and expounds the guiding significance of finite element analysis in reliability improvement. Through the summary and data accumulation of reliability methods, the development of new vehicle can be helped.

Keywords: finite element; reliability; vehicle design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-69-02

1 概述

汽車(chē)可靠性不僅是決定汽車(chē)效能、壽命周期和使用費(fèi)用的重要因素，還與維修性、保障性相關(guān)聯(lián)。在整車(chē)設(shè)計(jì)尤其是軍車(chē)設(shè)計(jì)中，對(duì)可靠性要求更為嚴(yán)格。提高汽車(chē)可靠性一直是汽車(chē)行業(yè)的重大研究課題。汽車(chē)可靠性增長(zhǎng)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，貫穿了前設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件生產(chǎn)、分系統(tǒng)及整車(chē)裝配、車(chē)輛可靠性試驗(yàn)、售后數(shù)據(jù)收集及反饋。其中有限元分析數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)階段都具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性。

文中重點(diǎn)提出了有限元分析對(duì)整車(chē)可靠性設(shè)計(jì)和提升的實(shí)現(xiàn)方法，從而實(shí)現(xiàn)其基礎(chǔ)型指導(dǎo)意義。

2 前設(shè)計(jì)階段的可靠性分配

前設(shè)計(jì)階段包括了產(chǎn)品規(guī)劃和可靠性的分配及文件編制。通過(guò)文件的編制將產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配和預(yù)測(cè)。形成各分總成的可靠性指標(biāo)，從而為有限元分析提出了方向和目標(biāo)。主要總成、子系統(tǒng)可靠性的分配流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總成可靠性分配流程

3 有限元在產(chǎn)品各階段的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段包含了產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，其流程如圖2所示，在這一階段CAE分析對(duì)可靠性提升具有基礎(chǔ)性指導(dǎo)意義。運(yùn)用有限元軟件對(duì)各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析和壽命校核，并依據(jù)有限元分析結(jié)果提出改進(jìn)方案，指導(dǎo)各總成的可靠性提升，并將驗(yàn)證的方案推廣到其他零部件。

圖2 零部件可靠性設(shè)計(jì)流程

如圖3所示，通過(guò)有限元分析對(duì)某車(chē)型轉(zhuǎn)向擺臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得形似人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向擺臂結(jié)構(gòu)，經(jīng)可靠性驗(yàn)證后推廣到其他擺臂的設(shè)計(jì)中。

圖3 分析結(jié)果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的推廣

3.2 生產(chǎn)階段

3.2.1 產(chǎn)品探傷

依據(jù)有限元分析結(jié)果，指導(dǎo)零部件特別是鑄鍛件和焊接件的缺陷探傷。如圖4所示，是某車(chē)型懸架系統(tǒng)的下擺臂，由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在探傷前先進(jìn)行分區(qū)，然后根據(jù)有限元分析的結(jié)果選擇應(yīng)力能比較集中的區(qū)域進(jìn)行探傷，獲得其探傷報(bào)告。

圖4 下擺臂探傷區(qū)確認(rèn)

3.2.2 微缺陷件的甄別

提出微缺陷件的概念，并依據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)編寫(xiě)微缺陷件再利用的甄別標(biāo)準(zhǔn)，在達(dá)到可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，降低生產(chǎn)成本。如圖5所示，由于某車(chē)型橋連接板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，鑄造時(shí)合格率不高，易出現(xiàn)微缺陷，如沙眼、疏松、縮孔等，因此可依據(jù)其有限元分析結(jié)果，制定詳細(xì)的甄別標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定各個(gè)區(qū)域允許出現(xiàn)的缺陷級(jí)別或零缺陷，將報(bào)廢的零件在保證可靠性的基礎(chǔ)上，得到了再利用。同時(shí)還可以指導(dǎo)鑄件加工有的放矢的改進(jìn)鑄造工藝，保證零缺陷區(qū)的鑄造質(zhì)量。并且機(jī)加工部門(mén)，在機(jī)加工中，一旦發(fā)現(xiàn)零缺陷區(qū)出現(xiàn)了缺陷，就可以放棄下一步的機(jī)加工步驟，節(jié)約了成本和時(shí)間。

圖5 微缺陷件甄別標(biāo)準(zhǔn)的確定流程

3.3 可靠性試驗(yàn)階段

完成各分總成及整車(chē)的裝配后，整車(chē)進(jìn)入可靠性試驗(yàn)階段。對(duì)可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)故障的零部件特別是疲勞或應(yīng)力損傷的結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行有限元分析，提出解決方案，并在后續(xù)的可靠性試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。如圖6所示，某車(chē)型橢圓形截面的后橋擺臂在可靠性試驗(yàn)中發(fā)生根部斷裂，經(jīng)有限元分析后，將后橋擺臂截面優(yōu)化為變截面的四邊形，其可靠性在后續(xù)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，并在其后的車(chē)型設(shè)計(jì)中固化為常用結(jié)構(gòu)形式。

圖6 后橋擺臂優(yōu)化后的可靠性提升

4 可靠性提升方法總結(jié)

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)出現(xiàn)故障和失效的零部件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得整車(chē)可靠度分布數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)可靠性方法的總結(jié)和數(shù)據(jù)的積累，形成下一輪整車(chē)可靠性提升的依據(jù)，指導(dǎo)新產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，循環(huán)推進(jìn)車(chē)輛的可靠性提升。

[1] 王秉剛.汽車(chē)可靠性工程方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[2] 顧履平,馮錫曙.實(shí)用可靠性技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[3] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

A Study for Method of the Vehicle Reliability Growth Based on Finite Element

Wang Lei, Zhong Rui, Pei Yongqi, Wang Huadong
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710020 )

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-69-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.024

王磊，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院軍品研究所。