淺論可靠性試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)件失效的分析應(yīng)對(duì)

余慶杰 王華武 劉宗晟 郎寶永

摘 ?要：本文闡述了某卡車(chē)在可靠性試驗(yàn)中擋泥板支架和保險(xiǎn)杠失效問(wèn)題的分析應(yīng)對(duì)過(guò)程，描述通過(guò)CAE分析、結(jié)構(gòu)材料工藝分析、實(shí)車(chē)驗(yàn)證的過(guò)程，總結(jié)了可參考借鑒的分析應(yīng)對(duì)方法。

關(guān)鍵詞：可靠性試驗(yàn); 結(jié)構(gòu)件失效; 分析應(yīng)對(duì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U466 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0088-05

Analysis And Countermeasures Of Structural

Member Failure In Reliability Test

YU Qing-jie， WANG Hua-wu， LIU Zong-sheng， LANG Bao-yong

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical， Wuhan 430056， China）

Abstract： In this paper， the analysis and response process of fender support and bumper failure in reliability test of a truck has been described. According to the results of CAE analysis， structural material process analysis and real vehicle verification， the analysis ?methods that can be used has been summarized.

Key Words： Reliability Test; ?Structural Member Failure; ?Analysis And Response

1 ? ?某卡車(chē)擋泥板支架失效分析

1.1 ? 問(wèn)題描述

某卡車(chē)在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)中壞路試驗(yàn)154Km時(shí)（輔助里程1009Km），左前輪后擋泥板支架斷裂，斷裂處為懸臂直管根部與鑄件支座的焊接處。通過(guò)焊接斜撐向前旋轉(zhuǎn)30°，適應(yīng)車(chē)架高度，并將管徑由2.5mm增至3mm，并于壞路試驗(yàn)154Km時(shí)進(jìn)行換裝，當(dāng)壞路試驗(yàn)行駛至2763Km時(shí)，改制換裝件在直管根部出現(xiàn)斷裂，斷裂位置與前期相同，仍為軸管與支座焊接處斷裂。如圖1擋泥板支架根部斷裂失效。

1.2 ? 擋泥板支架斷裂問(wèn)題分析

（1）CAE分析及結(jié)論：振動(dòng)疲勞導(dǎo)致軸管根部斷裂。

強(qiáng)度分析（垂向加速度：10g，前后加速度：5g），原擋泥板支架最大應(yīng)力78Mpa（軸管根部），為軸管材料的屈服極限的34%，判斷支架強(qiáng)度足夠。改制擋泥板支架的斜撐受車(chē)架高度限制，為向前旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，支架后下角局部應(yīng)力達(dá)到219Mpa，據(jù)此判斷斜撐的作用不可或缺，且若斜撐在軸管正下方效果最好。

模態(tài)分析：在整車(chē)模態(tài)分析中，原擋泥板支架的軸管存在10.1Hz、23.8Hz、26.3Hz三個(gè)明顯振動(dòng)模態(tài)，均會(huì)導(dǎo)致軸管根部振動(dòng)疲勞破壞，其中10.1Hz為車(chē)架扭轉(zhuǎn)帶動(dòng)，無(wú)法規(guī)避;26.3Hz與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)26.7Hz十分接近，有明顯共振趨勢(shì)。如圖原擋泥板支架應(yīng)力及三個(gè)支架振型。

采用帶斜撐的改制擋泥板支架，軸管根部的振動(dòng)受到削弱和抑制，支架自身振動(dòng)模態(tài)改至25.3Hz，但是仍未能與26.7Hz相差2Hz以上，即仍存在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)共振問(wèn)題，為造成軸管再次斷裂的主因。如圖3改制擋泥板支架應(yīng)力及1個(gè)支架振型。

（2）結(jié)構(gòu)、材料和工藝分析及結(jié)論：?jiǎn)胃鶓冶壑惫芙Y(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動(dòng)。管材料變更及焊接位置均削弱了支架性能。

結(jié)合前期的各種類(lèi)型擋泥板支架CAE分析，基本可以明確單根懸臂直管抗振動(dòng)疲勞能力較差，在軸管根部容易破壞。

原擋泥板支架軸管材料初始設(shè)計(jì)為冷拔管，后降成本改為卷焊管。這種變更存在料厚不足和性能降低，在軸管根部與鑄件支座沿周滿(mǎn)焊焊接（手工電弧焊），進(jìn)一步降低了焊接部位的性能。

1.3 ? 擋泥板支架斷裂應(yīng)對(duì)處理

臨時(shí)措施：按照理論上的性能改善方向進(jìn)行建模、分析及試制換裝樣件，進(jìn)行驗(yàn)證。

懸臂直管根部與鑄件支座滿(mǎn)焊更改為折彎管豎直段與拼焊支座兩側(cè)焊接;向前偏轉(zhuǎn)且分散的斜撐更改為上下對(duì)齊的閉合撐管結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)減輕了焊接對(duì)材料的損傷，在受力集中的圓管根部折彎處采用整根圓管結(jié)構(gòu)，并通過(guò)斜撐形成閉合的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升了整個(gè)支架的強(qiáng)度和剛度。如圖4 擋泥板支架結(jié)構(gòu)材料工藝改善。

進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證判斷，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力為45Mpa，支架上端焊接處的應(yīng)力為77Mpa，判斷強(qiáng)度無(wú)風(fēng)險(xiǎn);在0至50HZ區(qū)間，支架振動(dòng)模態(tài)16.6Hz （同電瓶框一起隨車(chē)架振動(dòng)）;26.7Hz附近的三個(gè)模態(tài)為25.2Hz、26.3Hz 、27.9Hz，均不是支架振動(dòng)，判斷無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)。如圖5擋泥板支架改進(jìn)后的模態(tài)與應(yīng)力。

臨時(shí)制件、換裝、試驗(yàn)驗(yàn)證，在壞路3241Km更換驗(yàn)證件，隨整車(chē)壞路試驗(yàn)至5018Km結(jié)束，故障未再發(fā)生。如圖6 改進(jìn)后實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

2 ? ?某卡車(chē)保險(xiǎn)杠失效分析

2.1 ? 問(wèn)題描述

某卡車(chē)在可靠性試驗(yàn)中的壞路試驗(yàn)2763Km時(shí)（輔助里程1009Km），發(fā)現(xiàn)前保險(xiǎn)杠右側(cè)過(guò)渡支架（與保險(xiǎn)杠本體焊接，與保險(xiǎn)杠支架裝配）與保險(xiǎn)杠本體脫焊，在支架上的3個(gè)原焊點(diǎn)處形成圓形孔洞;與保險(xiǎn)杠蒙皮相連的側(cè)轉(zhuǎn)向燈支架左上角局部開(kāi)裂，裂紋位于支架的折彎上下轉(zhuǎn)角處。如圖7保險(xiǎn)杠支架脫焊及開(kāi)裂失效。

2.2 ? 保險(xiǎn)杠支架脫焊及開(kāi)裂問(wèn)題分析

（1）CAE分析及結(jié)論：強(qiáng)度和模態(tài)分析顯示無(wú)脫焊及開(kāi)裂的必然性。

強(qiáng)度分析（垂向加速度：4g，前后及側(cè)向加速度：2.5g），保險(xiǎn)杠右端范圍內(nèi)，最大應(yīng)力為43Mpa，位于保險(xiǎn)杠蒙皮（DC04，屈服極限約120Mpa）的最上焊點(diǎn)的附近，判斷理論上強(qiáng)度無(wú)問(wèn)題;支架設(shè)計(jì)材料為Q235，實(shí)際使用材料為20號(hào)鋼，屈服強(qiáng)度σs為245Mpa，理論上不會(huì)先于蒙皮被破壞。

模態(tài)分析：在整車(chē)模態(tài)分析中，前保險(xiǎn)杠50Hz以?xún)?nèi)的自身振動(dòng)模態(tài)分別為34.2Hz、37.與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)26.7Hz相差很遠(yuǎn)，理論上不會(huì)產(chǎn)生共振。如圖8保險(xiǎn)杠應(yīng)力及模態(tài)分析。

（2）結(jié)構(gòu)、材料及工藝分析及結(jié)論：主要原因?yàn)橹圃熨|(zhì)量缺陷。

制造工藝分析：焊接凹陷率過(guò)大為失效的主要原因（>20%），焊槍未打磨，局部變形;焊核直徑小于設(shè)計(jì)值6mm也是不利因素，（現(xiàn)場(chǎng)）焊點(diǎn)分布依靠人工控制，存在一定的隨意性;均為制造原因。

結(jié)構(gòu)分析：過(guò)渡支架厚度為1mm，相對(duì)較薄，對(duì)于人工焊接，有一定的凹陷率過(guò)大后脫焊風(fēng)險(xiǎn)。如圖9保險(xiǎn)杠焊接制造及工藝缺陷。

（3）關(guān)聯(lián)性分析：判斷過(guò)渡支架脫焊在先，脫焊后保險(xiǎn)杠振動(dòng)加劇，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向燈支架開(kāi)裂;若過(guò)渡支架未脫焊，則轉(zhuǎn)向燈支架不會(huì)失效。

2.3 ? ?保險(xiǎn)杠支架脫焊及開(kāi)裂應(yīng)對(duì)處理

（1）臨時(shí)措施：失效保險(xiǎn)杠進(jìn)行支架補(bǔ)焊及開(kāi)裂補(bǔ)焊。根據(jù)分析結(jié)論制定改善措施并制件，驗(yàn)證提高可靠性系數(shù)的方案。

失效保險(xiǎn)杠進(jìn)行支架補(bǔ)焊及開(kāi)裂補(bǔ)焊。采用二氧化碳保護(hù)焊進(jìn)行補(bǔ)焊：過(guò)渡支架撕裂孔洞塞焊、周邊補(bǔ)焊;轉(zhuǎn)向燈支架裂縫補(bǔ)焊。

臨時(shí)制件：因保險(xiǎn)杠后移40mm，原過(guò)渡支架需要切角導(dǎo)致焊點(diǎn)數(shù)及焊接面積進(jìn)一步減少;同時(shí)為了提升可靠性，過(guò)渡支架厚度增至1.2mm，增加焊接面積，焊點(diǎn)數(shù)增至7個(gè)，支架翻邊更改為朝向車(chē)前。

（2）永久對(duì)策：綜合考慮FQCD（特性、質(zhì)量、成本、交貨期）的要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)改善并分析驗(yàn)證。

進(jìn)行CAE分析驗(yàn)證，蒙皮的應(yīng)力為14Mpa，支架的應(yīng)力為37.74Mpa， 非焊點(diǎn)處，判斷強(qiáng)度無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，三個(gè)振型34.1Hz、36.8Hz、41.4Hz，判斷無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn);

通過(guò)落實(shí)支架的沖壓工藝可行性，關(guān)閉一元表，發(fā)整改文件;與生產(chǎn)單位、質(zhì)量部門(mén)等落實(shí)制件、焊接工藝技術(shù)要求及質(zhì)量管控。如圖10保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)工藝綜合改善。

2.4 ? 保險(xiǎn)杠換裝后狀態(tài)跟蹤

壞路2763Km原件出現(xiàn)開(kāi)裂，于壞路3241Km更換驗(yàn)證件（支架加厚至1.2，增加焊點(diǎn)和連接面積，焊接工藝改善），隨整車(chē)壞路試5018Km結(jié)束，故障未再發(fā)。如圖11保險(xiǎn)杠改進(jìn)實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

3 ? ?可靠性試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)件失效的分析應(yīng)對(duì)方法總結(jié)

3.1 ? 結(jié)構(gòu)件失效的現(xiàn)場(chǎng)分析

可靠性試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)件失效方式多為開(kāi)裂、脫焊、斷裂。對(duì)應(yīng)力集中或振動(dòng)劇烈的部位，首先要對(duì)失效件進(jìn)行實(shí)地分析，判斷是否存在制造缺陷，如虛焊、焊穿等，并分析失效的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，找出失效源頭。

3.2 ? 結(jié)構(gòu)件材料結(jié)構(gòu)工藝分析

針對(duì)結(jié)構(gòu)件而言，要分析其結(jié)構(gòu)形式、材料選型和加工工藝，研判是否存在結(jié)構(gòu)受力不合理、材料選型不當(dāng)、加工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)本身造成損傷等， 作為后續(xù)進(jìn)一步分析及改善設(shè)計(jì)的參考。

3.3 ? 結(jié)構(gòu)件在整車(chē)中的應(yīng)力及模態(tài)CAE分析

強(qiáng)度不足和振動(dòng)疲勞是結(jié)構(gòu)件在可靠性試驗(yàn)中破壞的重要原因，所以要在整車(chē)（底盤(pán)）環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力情況及模態(tài)進(jìn)行CAE分析， 在應(yīng)力分析方面要根據(jù)結(jié)構(gòu)件所處的位置設(shè)定垂向及前后向載荷，應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度的50%;在模態(tài)方面要分析整車(chē)環(huán)境下結(jié)構(gòu)件的振型特性與整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、壞路激勵(lì)的相互關(guān)系，相隔在2Hz以?xún)?nèi)，可判斷為易形成共振。

3.4 ? 綜合制定整改方案，CAE分析驗(yàn)證

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料工藝和CAE應(yīng)力及模態(tài)的綜合分析，制定整改方案，確保結(jié)構(gòu)更趨合理、材料選擇適當(dāng)、減少加工工藝對(duì)材料本身的損傷，并進(jìn)行CAE對(duì)比分析，直至應(yīng)力與模態(tài)均符合要求。對(duì)于工藝問(wèn)題，需要同步提出工藝改善方案。

3.5 ? 搭載整車(chē)可靠性試驗(yàn)實(shí)車(chē)驗(yàn)證

根據(jù)整改方案快速制作試驗(yàn)件，搭載一定里程的可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)車(chē)檢驗(yàn)整改效果，關(guān)閉問(wèn)題。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

對(duì)于結(jié)構(gòu)件在可靠性試驗(yàn)中的失效，要堅(jiān)持實(shí)地調(diào)研與理論分析相結(jié)合、結(jié)構(gòu)材料工藝分析與CAE分析相結(jié)合，多方面快速響應(yīng)，綜合分析問(wèn)題以鎖定關(guān)鍵因素，針對(duì)性制定整改方案并快速上車(chē)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勝蘭.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2007 .

[2]曹立波.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京. 人民交通出版社.2012.

余慶杰

現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車(chē)有限公司技術(shù)中心，任高級(jí)工程師，主要從事新能源整車(chē)設(shè)計(jì)工作。

專(zhuān)家推薦語(yǔ)

康 ? 明

東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心工藝研究所所長(zhǎng)

材料科學(xué)與工程 ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文通過(guò)對(duì)某卡車(chē)在可靠性試驗(yàn)中擋泥板支架和保險(xiǎn)杠失效問(wèn)題的分析應(yīng)對(duì)過(guò)程的描述和改善，提出了通過(guò)CAE分析、結(jié)構(gòu)材料工藝分析、實(shí)車(chē)驗(yàn)證相結(jié)合的分析應(yīng)對(duì)失效零件的改善方法。

本文數(shù)據(jù)可靠，理論正確，具有一定的新意和實(shí)用價(jià)值。