某軍用越野車A柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

李功明，王滿祥，陳桂均

（1.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，南京 210022 ； 2.南京依維柯汽車有限公司，南京 210028）

1 引言

隨著國(guó)防建設(shè)的加大，滿足軍隊(duì)日益增長(zhǎng)的多方面的實(shí)際需求，適應(yīng)現(xiàn)代化快速反應(yīng)能力、強(qiáng)大投送能力、高度機(jī)動(dòng)能力的軍隊(duì)需求，開發(fā)出符合國(guó)標(biāo)和軍標(biāo)的高性能軍車產(chǎn)品，是企業(yè)對(duì)國(guó)防建設(shè)應(yīng)做的貢獻(xiàn)。

在青海現(xiàn)役的某軍用越野車A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭處，以及 A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁接頭處出現(xiàn)了不同程度的裂紋。如圖 1，圖 2所示：

A 柱是車輛的重要組成部分，需要足夠的強(qiáng)度、剛度，出現(xiàn)裂紋會(huì)導(dǎo)致：1.前門框變形，出現(xiàn)門下垂現(xiàn)象，影響前門的開啟；2.影響前風(fēng)擋玻璃的密封，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致前風(fēng)擋玻璃開裂；3.影響前門密封。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)發(fā)生故障的車輛做統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示：

表1 車輛統(tǒng)計(jì)信息

從車輛的統(tǒng)計(jì)情況分析，在青海戈壁灘沙石路以及越野路等惡劣工況下，行駛里程約6千到1萬(wàn)公里時(shí)會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且左右A柱上部、A柱下部開裂現(xiàn)象無(wú)規(guī)律的發(fā)生。

2 問(wèn)題分析

2.1 實(shí)際使用路況分析

車輛主要行駛區(qū)域?yàn)榍嗪８駹柲靖瓯跒缆非闆r主要是沙石路，相對(duì)研制定型時(shí)道路試驗(yàn)的越野路以及凹凸不平的壞路，路況更加惡劣，如圖3，圖4所示:

2.2 故障車拆解分析

對(duì) 3#車輛缺陷區(qū)域拆解分析，觀察裂紋走向。在 A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭處的裂紋是從前門框拐角處的工藝缺口開始，延伸后進(jìn)而使得 A 柱上部開裂。 A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁接頭處的裂紋是從前門框內(nèi)板與前門框外板焊點(diǎn)處開始延伸，進(jìn)而使得區(qū)域出現(xiàn)開裂，如圖 5所示。觀察 2#、7#車 輛的 A柱下部，雖然未開裂，但是已出現(xiàn)了焊點(diǎn)脫落現(xiàn)象。

2.3 缺陷區(qū)域受力分析

針對(duì)出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，在對(duì)角兩輪懸空扭轉(zhuǎn)工況（模擬青海格爾木戈壁灘沙石路況）下，提取車架加載點(diǎn)載荷，如圖6、表2所示。對(duì)車輛模型通過(guò)有限元分析軟件分析后得出， A柱上部缺陷區(qū)域最大應(yīng)力值為 169.2 Mpa，A柱下部缺陷區(qū)域最大應(yīng)力值為 165.8 Mpa，如 表3所示。通過(guò)對(duì)角兩輪懸空工況分析，主要目的是得到車身整體的抗扭、抗彎特性。

表3 A柱上部、下部缺陷區(qū)域應(yīng)力值

從表3可以看出，A柱上部、A柱下部最大應(yīng)力值處于材料的許用范圍。青海格爾木戈壁灘沙石路，對(duì)角兩輪懸空的扭轉(zhuǎn)工況頻率較高。車輛在使用過(guò)程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞，導(dǎo)致缺陷區(qū)域出現(xiàn)裂紋。由于缺乏大量數(shù)據(jù)證明對(duì)角兩輪懸空扭轉(zhuǎn)工況是否能夠真實(shí)模擬青海格爾木戈壁灘沙石路況。所以嘗試多種解決措施來(lái)降低缺陷區(qū)域的應(yīng)力值，并且后續(xù)通過(guò)樣車在實(shí)際路況下路試驗(yàn)證。

3 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

3.1 前門框外板型面優(yōu)化

A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭處，前門框外板拐角處的工藝缺口存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。從故障車A柱上部裂紋走向來(lái)看，裂紋從工藝缺口處延伸出來(lái)，所以優(yōu)化此處缺口對(duì)改善應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯。因如果完全去除此處工藝缺口，需要修改此區(qū)域結(jié)構(gòu)，涉及到改動(dòng)件非常多。綜合考慮成本周期等原因，通過(guò)成型工藝分析，調(diào)整工藝缺口大小，以及增大圓角半徑，使之缺陷區(qū)域圓角平緩過(guò)渡，有效緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。

通過(guò)模型分析得出 A柱上部以及下部最大應(yīng)力值，并與優(yōu)化前形成對(duì)比，如圖8，圖9及表4所示:

表4 A柱上部、下部缺陷區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果以及優(yōu)化比例

3.2 A柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭截面，A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁接頭截面優(yōu)化，如圖10所示。根據(jù)截面優(yōu)化得到A柱上部、A柱下部缺陷區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型，如圖11、圖12所示:

A柱上部接頭處，增加的加強(qiáng)板與頂蓋前橫梁搭接，在Y向延伸30 mm左右，能夠有效的分散了應(yīng)力。A柱下部接頭處，增加的加強(qiáng)板與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前門框外板搭接，能夠有效的緩解此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)CAE分析模型得出最大應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13、圖14所示，表5所示:

表5 A柱上部、下部缺陷區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果以及優(yōu)化比例

3.3 焊點(diǎn)布置優(yōu)化

從2#、3#以及7#故障車A柱下部裂紋走向觀察結(jié)果來(lái)看，裂紋從焊點(diǎn)處往外延伸。布置在缺陷區(qū)域的焊點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致焊點(diǎn)失效，使得局部區(qū)域結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌，產(chǎn)生裂紋。

理論上，焊點(diǎn)的布置應(yīng)配合前門框在工況下的彎曲扭轉(zhuǎn)變形形式。在扭轉(zhuǎn)工況下，焊點(diǎn)失效是拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果，所以焊點(diǎn)布置優(yōu)先在前門框應(yīng)力較小的位置。如圖15所示，存在缺陷的區(qū)域 B在優(yōu)化后沒(méi)有布置焊點(diǎn)，而在區(qū)域 A、區(qū)域C的焊點(diǎn)間距由原來(lái)60mm調(diào)整至45mm。因缺乏焊點(diǎn)布置區(qū)域的疲勞分析手段，所以無(wú)法通過(guò) CAE分析得出優(yōu)化前后的應(yīng)力對(duì)比。

3.4 增加塑料增強(qiáng)件

在 A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭處以及A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁接頭處增加塑料增強(qiáng)件（主要成份為 70%PA66+30%玻纖），如圖 16、圖 17所示。在焊裝車間前門框焊接工位處，塑料增強(qiáng)件通過(guò)金屬卡扣固定在前門框內(nèi)板上以及前門上鉸鏈加強(qiáng)板上。在涂裝車間，塑料增強(qiáng)件與前門框貼合處在高溫烘烤后膨脹并與周邊區(qū)域固化。這樣 A柱上下兩處接頭處形成一個(gè)整體，提高了缺陷區(qū)域抗彎、抗扭的能力。通過(guò) CAE分析模型得出最大應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖 18，表 6所示:

表6 A柱上部、下部缺陷區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果以及優(yōu)化比例

3.5 空腔注入增強(qiáng)膠

在 A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁接頭處以及A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁接頭空腔內(nèi)注入雙組份環(huán)氧增強(qiáng)膠。兩種組份在一定比例下通過(guò)膠槍混合后注入 A柱上下接頭腔體內(nèi)并固化。使得上下兩處接頭處形成一個(gè)整體，提高了缺陷區(qū)域抗彎、抗扭的能力。

綜合考慮費(fèi)用成本、周期等因素，如表7所示。采用前門框外板型面優(yōu)化、焊點(diǎn)布置優(yōu)化、接頭節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在空腔內(nèi)注入增強(qiáng)膠的措施來(lái)改善缺陷區(qū)域的應(yīng)力狀況。后續(xù)通過(guò)樣車在青海戈壁灘沙石和越野路況下進(jìn)行路試驗(yàn)證，均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。

表7 改進(jìn)優(yōu)化措施成本與周期對(duì)比

4 總結(jié)

針對(duì)車輛實(shí)際運(yùn)行工況，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化車輛 A柱上部與側(cè)頂梁、前頂橫梁節(jié)點(diǎn)，以及A柱下部與前門鉸鏈加強(qiáng)板、前風(fēng)擋下橫梁節(jié)點(diǎn)截面。采用修改前門框外板型面過(guò)渡圓角，調(diào)整焊點(diǎn)布置，增加塑料加強(qiáng)件、加強(qiáng)板，腔體注入雙組份環(huán)氧增強(qiáng)膠等措施，降低缺陷區(qū)域最大應(yīng)力值，提高能夠在高頻扭轉(zhuǎn)工況下抗疲勞扭轉(zhuǎn)的能力。并為后續(xù)解決此類問(wèn)題提供參考性建議。

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