某輕客車頂疲勞失效分析與優(yōu)化

摘要：針對(duì)某輕客車頂開裂問題，本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，通過CAE仿真分析，找到了開裂的根本原因，提出了改進(jìn)方案。特別是對(duì)三種頂蓋改進(jìn)方案，在無物理樣車的情況下，應(yīng)用了CAE虛擬疲勞分析技術(shù)，對(duì)改進(jìn)后的車身頂蓋疲勞壽命改進(jìn)倍數(shù)進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)方案。改進(jìn)后的方案通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，從而縮短了產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)周期。

關(guān)鍵詞：車頂;開裂;解決方案;疲勞壽命分析

中圖分類號(hào)：U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2019）06-0047-05

Fatigue failure analysis and optimization of a Commercial vehicles

roof

CHEN Gui-jun

（ Nanjing IVECO Motors Co.， Ltd， Nanjing211806， China

Abstract： For a commercial vehicle roof cracking problems， combining with the actual production?status， and through the CAE simulation analysis， find the root cause of the crack.the improving measures are put forward especially for three kinds improvement scheme of?roof， in the case of no physical prototype， the application of CAE analysis technology of virtual?fatigue， the roof panel can improve the fatigue life improvement ratio comparison，?select the optimal scheme， the improved scheme passed the road test， so as to reduce the cycle?of the product quality improved.

Key Words： The iron roof ; Cracking; Solution; virtual fatigue analysis;

陳桂均

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，本科學(xué)歷，2010年獲得江蘇大學(xué)工程碩士學(xué)位。現(xiàn)就職于南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，任高級(jí)工程師，主要研究方向：車身及內(nèi)外飾開發(fā)，已發(fā)表論文近十篇。

1引言

目前，汽車結(jié)構(gòu)疲勞越來越受到各大整車制造企業(yè)的重視。對(duì)車輛疲勞壽命的傳統(tǒng)防范是利用實(shí)車在道路試驗(yàn)車場(chǎng)進(jìn)行路試【1】。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬樣機(jī)的虛擬試驗(yàn)技術(shù)在世界各大汽車企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。某輕型客車已投產(chǎn)三年，車身頂蓋整體噴涂雙組分聚氨酯發(fā)泡材料，見圖1，車頂未出現(xiàn)過開裂問題。但因公司工廠搬遷，環(huán)保升級(jí)，禁止再使用整體噴涂聚氨酯發(fā)泡劑的工藝。為驗(yàn)證工藝改變后車身可靠性，對(duì)車頂未實(shí)施聚氨酯發(fā)泡措施的整車進(jìn)行道路驗(yàn)證，結(jié)果車頂總成除了前頂外，其他頂蓋都出現(xiàn)了開裂，主要集中在前中頂、中頂和后頂頂蓋加強(qiáng)筋區(qū)域，見圖2：

頂蓋開裂會(huì)導(dǎo)致漏雨、銹蝕等問題，嚴(yán)重影響品牌形象及用戶滿意度。因此，有必要對(duì)出現(xiàn)裂紋的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

2問題分析

該輕客實(shí)施頂蓋噴涂聚氨酯發(fā)泡的主要目的是提升整車NVH性能和空調(diào)的保溫性能，取消后后部頂蓋出現(xiàn)開裂問題，表明聚氨酯發(fā)泡有減輕頂蓋疲勞損壞的作用。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，頂蓋是材料厚度為0.8毫米的鋼板沖壓件，分為前頂、前中頂、中頂和后頂共四塊頂蓋，拼焊形成頂蓋總成，然后和左右側(cè)圍、后圍以及前圍焊接，在頂蓋拼接區(qū)域設(shè)計(jì)有三根支撐橫梁，橫梁和頂蓋之間間隙設(shè)計(jì)上要求小于7mm。橫梁和頂蓋之間通過膨脹膠連接，在焊裝車間實(shí)施，經(jīng)涂裝烘房烘烤后膨脹硬化，起到減震的目的。聚氨酯發(fā)泡噴涂工藝在白車身涂裝之后實(shí)施，噴涂厚度15至20mm之間，覆蓋了頂蓋和橫梁之間的空隙，結(jié)構(gòu)見圖3：

2.1頂蓋和頂橫梁間隙檢查

對(duì)試驗(yàn)車輛拆掉頂內(nèi)飾，測(cè)量頂蓋和橫梁粘接面間隙，第一根頂蓋和橫梁間隙7-8mm，和設(shè)計(jì)值基本符合。第二和第三根橫梁和頂蓋之間間隙較大，在中間間隙是15mm，兩側(cè)間隙是9mm。通過對(duì)生產(chǎn)線上噴涂聚氨酯發(fā)泡劑之前的多臺(tái)車身總成測(cè)量，第一根橫梁和頂蓋之間間隙基本符合設(shè)計(jì)要求，第二和第三根橫梁和頂蓋之間間隙基本都在9-15mm之間。因聚氨酯發(fā)泡工藝在白車身涂裝之后實(shí)施，發(fā)泡在常溫下遇空氣固化，不會(huì)改變橫梁和頂蓋的間隙，這表明無論是否取消聚氨酯發(fā)泡工藝，第二和第三根橫梁和頂蓋的間隙都不符合設(shè)計(jì)要求，只是在有聚氨酯發(fā)泡措施時(shí)，聚氨酯發(fā)泡填充了頂蓋和橫梁的間隙，使得此問題沒有暴露。這種間隙狀態(tài)下，膨脹膠失去作用，橫梁對(duì)頂蓋已沒有支撐作用，見圖4：

2.2頂蓋開裂區(qū)域受力分析

對(duì)試驗(yàn)中未開裂的前頂和其他開裂的頂蓋進(jìn)行應(yīng)力分析，分析對(duì)象是整車有限元模型的截?cái)嗖糠?。主要板件之間連接方式為焊接，有限元模型使用殼單元離散，選取單元大小為10mm，，采用四邊形單元，少量三角形單元用于過渡結(jié)構(gòu)。分析采用HYPERWORKS作為前處理器?；贏BAQUS求解器進(jìn)行求解，點(diǎn)焊采用connector的CWELD單元模擬.縫焊采用剛性couple-kin單元模擬。頂蓋與橫梁之間的膠連接采用正六面體實(shí)體單元模擬。

圖5是橫梁支撐良好的情況下，前頂蓋重力場(chǎng)靜力分析云圖，最大應(yīng)力值為6.11Mpa。圖6為實(shí)驗(yàn)車后部頂蓋開裂頻發(fā)區(qū)域的重力場(chǎng)靜力分析云圖，在橫梁支撐良好時(shí)，最大應(yīng)力值為10.73Mpa，無橫梁支撐時(shí)最大應(yīng)力值達(dá)到126.88Mpa。區(qū)域與實(shí)際開裂位置基本一致，頂蓋材料是DC04，抗拉強(qiáng)度≥270Mpa，屈服強(qiáng)度≥130Mpa，頂蓋最大的應(yīng)力值沒有超過材料屈服強(qiáng)度，但在無橫梁支撐時(shí)最大應(yīng)力值接近材料屈服強(qiáng)度。說明是疲勞造成的開裂【2】【3】，在汽車行駛過程中，由于路面不平整等因素影響，車身通常會(huì)受到交變載荷的作用。在頂蓋的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)處，會(huì)造成局部的應(yīng)力集中，隨著交變載荷累積的影響，最終產(chǎn)生疲勞失效【4】。