某越野車車架縱梁開(kāi)裂失效原因分析及對(duì)策

韓偉 曾斌 方鵬 劉清 陳曠

摘? 要：對(duì)某款越野車車架在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的縱梁開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)故障樹(shù)分析及建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，找到導(dǎo)致失效的主要原因?？紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)與工藝要求，本文提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，并對(duì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和整車試驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)裂問(wèn)題得到很好地解決。實(shí)踐表明這種解決問(wèn)題方法有效，對(duì)其它同類結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：越野車車架;故障樹(shù)分析;結(jié)構(gòu)力學(xué);有限元分析;開(kāi)裂

中圖分類號(hào)：U463.32? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2018）06-0056-04

Cause analysis and Countermeasures for cracking failure of the longitudinal frame beam of an off road vehicle

HAN Wei， ZENG Bin， FANG Peng， LIU Qing， CHEN Kuang

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： According to the crack of the longitudinal frame beam of an off-road vehicle in the reliability test， the main cause of the failure is found out by structural mechanics analyzed by the fault tree analysis and the finite element model. Considering the actual structure and technological requirements， this paper proposes an improved optimization scheme， and the structural mechanics analysis of the scheme and the whole vehicle test verify that the cracking problem is well solved. The practice shows that this method of solving the problem is effective and has certain reference significance for other similar structural mechanics problems.

1? ? 引言

車架不但承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)、車身、底盤、貨物和乘客的質(zhì)量，而且還承受汽車行駛時(shí)所產(chǎn)生的各種力和力矩。因此，其可靠性不僅關(guān)系到整車能否正常運(yùn)行，而且還關(guān)系到整車可靠性、安全性。從整車角度看，要求車架具有足夠的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)與抗彎剛度以及合理的模態(tài)分布。本文針對(duì)某款越野車在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)車架縱梁開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)故障樹(shù)分析，找到問(wèn)題的方向，并建立了整車有限元模型，利用CAE仿真找到開(kāi)裂問(wèn)題的具體原因?？紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)與工藝要求，對(duì)車架縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有效。

2? ? 失效現(xiàn)象描述

某款越野車車架總成為典型的梯形結(jié)構(gòu)，縱梁為箱形封閉斷面，由變截面槽形鋼焊接而成，共有5根橫梁，前后懸架處各有2根橫梁，支撐懸架上下三角臂，中間1根橫梁支撐動(dòng)力總成。在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，右縱梁前部過(guò)渡處內(nèi)外片焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，開(kāi)裂位置位于縱梁下部（橫向穩(wěn)定桿后側(cè)），之后對(duì)開(kāi)裂位置進(jìn)行補(bǔ)焊處理，經(jīng)過(guò)若干試驗(yàn)里程后，補(bǔ)焊位置縱梁內(nèi)片出現(xiàn)Z向裂紋，開(kāi)裂照片見(jiàn)圖1所示：

3? ? 原因分析

3.1? ?故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱 FTA）是系統(tǒng)可靠性和安全性分析的工具之一。它是將系統(tǒng)故障形成的原因，由總體至部分按樹(shù)枝狀逐漸細(xì)化的圖形演繹方法，分析可能造成系統(tǒng)故障的各種因素，其目的在于判明基本故障、確定故障原因和故障發(fā)生的概率。根據(jù)故障樹(shù)分析方法，對(duì)引起開(kāi)裂的原因，主要先從材料、工藝、產(chǎn)品防護(hù)、部品質(zhì)量管控、設(shè)計(jì)缺陷等方面分析排查，見(jiàn)圖2所示。

如圖2車架縱梁故障樹(shù)所示，影響縱梁開(kāi)裂共有12關(guān)鍵因素，針對(duì)這12關(guān)鍵因素，制定排查與檢測(cè)計(jì)劃。

通過(guò)以上分析，初步判斷有可能是縱梁局部強(qiáng)度不足導(dǎo)致開(kāi)裂。

3.2? ?有限元分析

為驗(yàn)證縱梁開(kāi)裂具體原因，建立了包含駕駛室、貨箱、底盤、車架在內(nèi)的整車有限元模型。鈑金采用殼單元模擬，鑄件采用四面體單元模擬，Rigid單元模擬焊縫和螺栓連接，Beam單元模擬關(guān)鍵位置的螺桿。對(duì)駕駛室、貨廂分別進(jìn)行滿載配重，動(dòng)力總成用質(zhì)點(diǎn)代替，整車計(jì)算模型如圖3所示。分析中前處理采用Hypermesh軟件，后處理采用Hyperview軟件，模態(tài)、剛度計(jì)算采用OptiStruct求解器，強(qiáng)度計(jì)算采用Abaqus求解器。

強(qiáng)度分析，采用慣性釋放法，主要分析七種工況（靜態(tài)穩(wěn)定工況、垂直跳動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)垂直跳動(dòng)工況、制動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向工況、轉(zhuǎn)向工況、極限轉(zhuǎn)向工況）下的應(yīng)力云圖。

通過(guò)仿真分析可知：在驅(qū)動(dòng)垂直跳動(dòng)工況下，最大車架前部折彎處最大應(yīng)力為535MPa，應(yīng)力云圖圖4所示;在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向工況下，最大車架前部折彎處最大應(yīng)力為534MPa，應(yīng)力云圖如圖5所示。這兩種工況下，最大應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，其余工況均滿足要求（應(yīng)力云圖這里不再給出）。綜上可以得出：縱梁前部折彎處應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限是導(dǎo)致開(kāi)裂主要原因。

4? ? 設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)策及結(jié)果

4.1? ?改進(jìn)優(yōu)化方案

根據(jù)以上分析，開(kāi)裂處為變截面過(guò)渡區(qū)域，前段臨近轉(zhuǎn)向機(jī)與橫向穩(wěn)定桿，后段為縱梁中段，布置發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置，受布置空間與工藝限制，改動(dòng)縱梁內(nèi)外片結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)與橫向穩(wěn)定桿布置非常困難，同時(shí)考慮到底盤平臺(tái)通用化，改動(dòng)成本也非常高。基于實(shí)際結(jié)構(gòu)與工藝情況，這里提出一種增加縱梁加強(qiáng)板與套管方案，即加強(qiáng)板向前至前懸架后支架處，向后至縱梁中段處，折彎處增加焊接套管，見(jiàn)圖7。如此，一方面可以消除由于截面突變帶來(lái)的應(yīng)力集中，另一方面還可以通過(guò)局部加強(qiáng)的方法來(lái)降低應(yīng)力值。

4.2? ?改進(jìn)優(yōu)化結(jié)果

對(duì)以上改進(jìn)方案，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，各邊界條件不變，仿真結(jié)果如表2所示。對(duì)于強(qiáng)度仿真，這里只給驅(qū)動(dòng)垂直跳動(dòng)工況與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向工況。對(duì)于剛度仿真，這里主要分析車架彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度。對(duì)于自由模態(tài)， 在不添加任何約束的條件下，通常低階模態(tài)更容易被激勵(lì)，這里只給出前四階模態(tài)。

由有限元仿真結(jié)果可知，通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化，車架最大應(yīng)力明顯減小，縱梁開(kāi)裂處強(qiáng)度滿足材料性能要求，車架總成剛度與模態(tài)均有提升，到達(dá)了預(yù)期結(jié)果。

根據(jù)改進(jìn)方案，新試制了樣車，重新開(kāi)展并完成了可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中未再出現(xiàn)縱梁開(kāi)裂問(wèn)題。基于該車架的基型車與改裝車投入市場(chǎng)后，沒(méi)有出現(xiàn)類似問(wèn)題，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5? ? 結(jié)論

開(kāi)裂問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是一類較為常見(jiàn)的失效形式，本文針對(duì)某越野車車架縱梁開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)建立故障樹(shù)分析與有限元仿真模型，找出具體失效原因，充分考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)與工藝，給出改進(jìn)優(yōu)化方案，并再次對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行有限元分析仿真分析，最后通過(guò)整車試驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)裂問(wèn)題得到解決。

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