某新能源汽車后副車架疲勞失效分析與優(yōu)化

聶小勇，譚永發(fā)，謝世坤，何君儒，劉偉強

某新能源汽車后副車架疲勞失效分析與優(yōu)化

聶小勇1，譚永發(fā)1，*謝世坤2，何君儒1，劉偉強2

（1.江西江鈴新能源汽車有限公司，江西，南昌 330052；2. 井岡山大學機電學院，江西，吉安 343009）

為了解決某新能源汽車后副車架臺架試驗的疲勞失效問題，首先基于Hypermesh軟件建立后副車架有限元模型；其次分別對其進行剛度分析、強度分析和疲勞分析。結果表明：其模態(tài)小于目標值；其最大應力小于材料屈服；其本體及其焊縫的最大損傷值超出目標值，最大損傷位置與失效位置相同。然后，通過填充其漏液孔進行結構優(yōu)化，優(yōu)化之后其各項性能均能夠滿足設計要求。最后對其優(yōu)化方案進行臺架試驗驗證，滿足臺架疲勞要求。

后副車架；失效；模態(tài)；強度；疲勞；優(yōu)化

0 引言

近幾年，以純電汽車為代表的新能源汽車成為了汽車行業(yè)發(fā)展的新趨勢。相對于傳統(tǒng)汽油車來說，新能源車的輸出功率主要由電機轉化而來，而副車架作為電機的主要承載部件，其受到的沖擊也越來越復雜，除了來自路面激勵等因素，還有來自電機啟動及加減速時的巨大沖擊。因此，在新能源汽車上，副車架的失效問題經(jīng)常發(fā)生，也成為了行業(yè)研究的一個重要方向[2]。

目前，汽車零部件的耐久性能主要通過車輛路試、驅動道路模擬機和疲勞臺架試驗確定[2]。試車場和驅動道路模擬機耐久性試驗是整車或半車通過各種強化耐久道路的試驗，集中反饋耐久性設計薄弱處；疲勞臺架試驗則是汽車零部件與傳力元件相連接，通過加載等效載荷進行試驗，該等效載荷由測量整車工作環(huán)境下的路面載荷計算而得，疲勞臺架試驗因無需裝配樣車就能提前驗證汽車零部件結構的性能，可以規(guī)避大部分實車開裂的風險，因此得到廣泛地應用[3]。

但是，由于耐久實驗需要較長的時間周期和過高的實驗費用，因此尋找一種高效快捷的方法來解決副車架的失效問題就顯得更加重要。本文將利用有限元方法，從剛度、強度、疲勞壽命等三個方向對某新能源汽車后副車架臺架試驗發(fā)生疲勞失效問題進行分析，并提供優(yōu)化方案，為新能源汽車零部件的失效問題提供一種可靠的解決途徑。

1 后副車架臺架試驗

1.1 后副車架結構

某新能源汽車后副車架由2條縱管梁連接1條橫管梁，搭接前后板構成，如圖1所示。主體管梁采用S420MC材料，前后板采用QSTE420TM材料，左右各2個與車身連接點，約12.5 kg。由于工藝要求，管梁處開設有12mm~16 mm工藝漏液孔，方便后副車架在加工及整車制造過程中的排氣與漏液。

圖1 后副車架三維模型

1.2 副車架臺架試驗方法

送檢同一副模具出廠的3副后副車架樣件，參照企業(yè)標準《某轎車后副車架總成的設計驗證計劃和報告》進行試驗，試驗設備主要包括激振器（MTS 244.12/21），控制柜（MTS 6通道零部件測試系統(tǒng)），試驗行程為±125 mm，試驗載荷為±50 kN，試驗頻率為0.1~30 Hz。

1.3 副車架臺架試驗結果

臺架疲勞試驗每隔一段時間點檢一次，副車架橫管梁φ16 mm的工藝漏液孔左側位置在做完側向耐久、縱向耐久臺架試驗后，在垂向耐久試驗8萬次左右發(fā)生裂紋，裂紋長度約占管材的2/3。將左側漏液孔開裂的副車架模型繼續(xù)實驗，右側漏液孔在9萬次左右時在相似位置出現(xiàn)開裂，兩側漏液孔裂紋最近距離前束桿控制臂約37 mm，如圖2所示。

圖2 左、右工藝漏液孔開裂圖

2 失效原因分析

本文主要從模態(tài)性能、強度性能及疲勞耐久性能等方面進行分析，查找開裂根本原因，提出優(yōu)化解決方案，并結合實驗驗證方案的可行性。

2.1 制造工藝分析

出現(xiàn)開裂問題后，經(jīng)過臺架試驗工程師現(xiàn)場對同批次零件及開裂件觀察，開裂部位及橫梁孔口有毛刺，如圖3所示。工藝漏液孔采用激光切割機加工，制造過程中鋸齒狀切割邊線沒有起弧，可能會導致局部應力集中。

圖3 漏液孔內(nèi)毛刺

2.2 模態(tài)性能分析

2.2.1 有限元建模

有限元分析技術的發(fā)展與運用，為副車架設計優(yōu)化提供方向，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，使產(chǎn)品設計完成后使用時發(fā)生的風險可控制、可預見。在進行有限元分析之前需進行前處理，前處理的時間一般會占用整個分析周期的70%~80%。有限元建模的過程主要包括幾何模型處理、有限元網(wǎng)格劃分、連接單元的模擬、各零部件屬性定義及邊界條件的施加等步驟[4]。

后副車架有限元分析主要采用Hypermesh進行前處理，為保證計算模型的精度和計算時長的平衡，采用邊長為3 mm的混合單元劃分網(wǎng)格，焊縫采用殼單元模擬。焊縫周邊一圈網(wǎng)格不能出現(xiàn)三角形單元，同時三角形網(wǎng)格總數(shù)的占比不超過總網(wǎng)格數(shù)的5%，最終得到網(wǎng)格節(jié)點數(shù)85512個，網(wǎng)格總數(shù)87573個，三角形網(wǎng)格數(shù)為4141個，單元質(zhì)量均滿足分析標準，其有限元模型如圖4所示。

圖4 后副車架有限元模型

Fig4：Finite element model of rear subframe

2.2.2 模態(tài)分析理論

模態(tài)是結構的固有特性之一，與結構的疲勞破壞和共振破壞有密切關系。因此，后副車架設計過程中不可缺少的一環(huán)。模態(tài)分析分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，前者在于獲得結構的固有振動特性，后者考慮了結構在實際工作狀態(tài)下的振動特性。

后副車架的運動微分方程為：

式（3）對應的特征值方程為：

2.2.3 模態(tài)分析結果

由于后副車架在實車中與車身連接在一起，本文的后副車架在約束狀態(tài)下進行模態(tài)分析。運用Hypermesh軟件進行前處理后，利用Nastran求解器對后副車架進行模態(tài)分析求解，最重要的是第一階彎曲模態(tài)和第一階扭轉模態(tài)[5]，因此取前6階模態(tài)，前6階模態(tài)頻率如表1所示。由表1可知，后副車架的前六階頻率分別為256.1 Hz、333.0 Hz、359.9 Hz、417.7 Hz、438.0 Hz和489.7 Hz。后副車架模態(tài)振型如圖5~圖10所示。由圖可知，副車架的前六階模態(tài)陣型分別為Z向1階彎曲、Z向2階彎曲、X向1階彎曲、X向2階彎曲、1階扭轉和2階扭轉。

表1 后副車架的頻率及陣型

圖5 一階模態(tài)

圖6 二階模態(tài)

Fig 6 Second model

圖7 三階模態(tài)

圖8 四階模態(tài)

圖9 五階模態(tài)

圖10 六階模態(tài)

根據(jù)模態(tài)分析得到了該副車架在約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率與振型，由于在汽車行駛過程中，后副車架的第一階非剛體模態(tài)的頻率需要避開共振激勵主要有車輪振動、自身行駛過程中的振動、電機怠速振動。據(jù)相關研究及工程試驗，這些可能引起的共振頻率都不超過50 Hz[6]。一般來說，后副車架模態(tài)頻率越高，避免與其他部件共振的能力越強，不同的主機廠在設定副車架模態(tài)頻率的目標值略有差異。根據(jù)該后副車架設計要求，在約束條件下一階模態(tài)大于220 Hz，一階扭轉模態(tài)385 Hz，后副車架的模態(tài)滿足性能要求。

2.3 強度性能分析

2.3.1 強度分析理論

后副車架的系統(tǒng)平衡方程通過力學平衡條件與加載邊界條件將每個單元進行重新整合組成，以此來表示系統(tǒng)力和位移的關系：

載荷列陣

2.3.2 極限強度工況

在不同的工況條件下，后副車架所受的載荷大小和方向不同，通過有限元可以分析出各個工況下的變形大小和應力分布情況，本文分析采用Abaqus求解器分析后副車架的強度，副車架常用的16工況如表2所示。

表2 強度工況說明

建立多體動力學模型，對動力學模型進行加載，提取副車架連接處各硬點的力與力矩提取載荷在Adams軟件中進行，懸架與車身連接點約束自由度123456，基于ADAMS輪胎局部坐標系依據(jù)強度16個工況的邊界進行加載[7]，其ADAMS多體動力學模型，如圖11所示。

圖11 Adams提載動力學模型

2.3.3 強度分析結果

經(jīng)過加載16工況提取的載荷進行強度分析，后副車架橫管梁漏液孔周圍（開裂位置）最大應力在工況15，如圖12所示，后副車架的最大應力為248.5 MPa，低于橫管梁S420MC材料的屈服強度420 MPa，滿足強度性能設計要求。

圖12 后副車架左漏液孔工況15的應力云圖

2.4 疲勞性能分析

2.4.1 疲勞分離理論

Miner疲勞損傷累計理論指出材料在各個應力下的疲勞損傷是獨立進行的，而且總損傷是線性疊加的，當損傷疊加至某一邊界值時將會產(chǎn)生破壞[9-10]，即

2.4.2 疲勞分析結果

將開裂的后副車架數(shù)模進行有限元分析前處理，施加與臺架等同的工況條件，基于名義應力法[11-12]并利用疲勞分析軟件Ncode進行疲勞性能分析，其疲勞損傷云圖，如圖13。后副車架的左、右側漏液孔處的最大損傷值分別為1.135和1.096，超過疲勞極限值1，不滿足疲勞性能設計要求。

圖13 后副車架左、右側漏液孔疲勞損傷云圖

從制造工藝、模態(tài)屬性、強度屬性和疲勞耐久四個方面對問題進行分析，排除了后副車架模態(tài)屬性與強度屬性不足導致的開裂，制造過程中的漏液孔切割產(chǎn)生的毛刺存在隨機性，與開裂位置存在誤差，疲勞耐久分析顯示最大損傷處與開裂位置基本一致。因此，工藝漏液孔裂紋極有可能是該處存在局部應力集中，致使長時間往復加載后，疲勞損傷值超標發(fā)生失效。

3 結構優(yōu)化

考慮到漏液孔處開裂主要是由于應力集中導致的的疲勞失效產(chǎn)生。因此，將漏液孔填充起來，并進一步對其進行疲勞等性能的分析驗證，確定方案的可行性。

3.1 模態(tài)特性分析

零部件結構很小的改動與優(yōu)化對結構模態(tài)屬性并不會產(chǎn)生很大的影響，經(jīng)過上文約束狀態(tài)下的模態(tài)分析結果判定，漏液孔填充起來的后副車架模態(tài)分析結果相差不大。

3.2 極限強度分析

將工藝漏液孔填起來的副車架數(shù)模進行重新進行有限元網(wǎng)格劃分，同樣按照靜態(tài)強度工況提載的數(shù)據(jù)進行分析。如圖14所示，為優(yōu)化之后的后副車架左漏液孔開裂位置應力云圖。由圖14可知，其開裂位置的最大應力降低至93.0 MPa，較優(yōu)化之前減小了62.6%，優(yōu)化效果非常明顯，最大應力轉移至上控制臂支架。

圖14 優(yōu)化之后的后副車架左漏液孔開裂位置應力云圖

3.3 臺架疲勞分析

依據(jù)臺架實驗方法提取后副車架優(yōu)化方案各硬點的力，對其進行加載迭代計算，如圖15所示，為優(yōu)化之后的后副車架左、右漏液孔開裂位置疲勞損傷云圖。由圖15可知，其損傷值分別為4.732E-5和4.726E-5，疲勞損傷值降低幅值非常大，優(yōu)化效果明顯。

圖15 優(yōu)化之后的后副車架左、右漏液孔開裂位置應力云圖

4 工藝與臺架試驗驗證

4.1 工藝驗證

原后副車架疲勞失效發(fā)生在漏液孔位置，漏液孔主要有2個功能：一是后副車架過涂裝時，排盡殘留在后副車架腔體內(nèi)的涂裝槽液，防止不同槽液混合，影響涂裝上漆質(zhì)量；二是汽車行駛過程中，排盡因下雨、過水坑等因素殘留在后副車架腔體內(nèi)的水。通過整車淋雨試驗發(fā)現(xiàn)，行駛過程中進入副車架腔體的水量遠比涂裝槽液少[8]，所以只要滿足涂裝車間的排液要求，填充后副車架工藝漏液孔就無問題。經(jīng)涂裝工藝評估，兩側孔不做漏液與排氣，切割后查看內(nèi)部電泳完整度，不存在未電泳情況，吊掛結果經(jīng)過驗證，不影響涂裝工藝，因此滿足工藝要求。

4.2 臺架強度試驗驗證

將填充漏液孔后的新副車架進行臺架強度試驗，參照企業(yè)標準《某轎車后副車架總成的設計驗證計劃和報告》進行加載，如圖16所示。試驗結束后點檢未出現(xiàn)裂紋，滿足強度試驗要求，副車架的優(yōu)化方案滿足強度試驗要求。

圖16 副車架優(yōu)化方案臺架強度試驗

4.3 臺架疲勞試驗驗證

將填充漏液孔后的新副車架進行臺架疲勞耐久試驗，參照企業(yè)標準《某轎車后副車架總成的設計驗證計劃和報告》進行加載，如圖17所示，加載20萬次后未出現(xiàn)裂紋，滿足疲勞耐久試驗要求。

圖17 副車架優(yōu)化方案臺架疲勞耐久試驗

5 結論

1）通過有限元計算分析，后副車架模態(tài)、強度性能均滿足設定目標，其開裂問題主要由應力集中導致的疲勞失效產(chǎn)生，且與實驗失效位置對標一致。

2）通過將漏液孔填充并對結構進行局部優(yōu)化，避免出現(xiàn)應力集中，疲勞損傷值降低至4.73E-6，滿足疲勞性能要求，并且通過了工藝驗證、臺架強度試驗驗證和臺架疲勞耐久試驗驗證。

3）利用有限元分析與臺架試驗對標的方法，能夠有高效快捷的解決零部件失效問題，并可為結構設計提供指導方向。

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FATIGUE ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF A NEW ENERGY VEHICLE REAR SUBFRAME

NIE Xiao-yong1, TAN Yong-fa1,*XIE Shi-kun2, HE jun-ru1, LIU Wei-qiang2

（1. Jiangxi jiangling group new energy vehicle co.LTD, Nanchang, Jiangxi 330052, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China）

To solve the fatigue failure problem of new energy vehicle rear subframe, Firstly, we establish rear subframe model based on Hypermesh software. Secondly, we analyze its stiffness performance, strength and fatigue. The results show that the model is less than the target value, its maximum stress value is less than the material yield, the maximum damage value of the body and its weld exceed the target value, the location of maximum damage is the same as the failure location. Then, we optimize the structure of rear subframe through filling the leakage hole.By this method, all the performance can meet the design requirements. Lastly, we verify the optimization method through bench strength test, and it can meet bench fatigue requirement.

rearsubframe; failure; modal; strength; fatigue; optimization

TH16

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.05.011

1674-8085(2020)05-0059-07

2020-03-28；

2020-07-13

國家自然科學基金(51165010）；江西省自然科學基金項目(20181BAB206028)；江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ160732, GJJ170651)

聶小勇(1977-），男，江西豐城人，高級工程師，主要從事汽車底盤開發(fā)及設計研究(E-mail：niexy2@jmev.com);

譚永發(fā)(1990-），男，安徽滁州人，工程師，碩士，主要從事汽車結構仿真及輕量化研究(E-mail：tanyf@jmev.com);

*謝世坤(1973-），男，江西吉安人，教授,博士，碩士生導師，主要從事材料輕量化研究及材料成型及工藝控制(E-mail:xskun@163.com);

何君儒(1985-），男，湖北黃梅人，工程師，碩士，主要從事汽車結構仿真及輕量化研究(E-mail：hejr@jmev.com);

劉偉強(1989-），男，江西吉安人，實驗師，碩士，主要從事車輛工程方面的研究(E-mail: 450336793@163.com).