基于疲勞設(shè)計理論解決轎車車身后部開裂問題

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摘 要：本文針對項目開發(fā)過程中的試驗開裂問題，基于疲勞設(shè)計的基本理論，對影響車身疲勞耐久性能的因素進行分析。提出改善思路及改善方向，通過大扭轉(zhuǎn)靜態(tài)仿真分析方法，快速提出了有效的改善方案。該方案通過試驗樣車耐久測試，驗證切實可行，為今后車身結(jié)構(gòu)解決疲勞失效的問題提供重要參考。

關(guān)鍵詞：疲勞耐久；應(yīng)力集中；大扭轉(zhuǎn)工況靜態(tài)分析

中圖分類號：U463.3+6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0108-04

Abstract： Based on the basic theory of fatigue design， analyze the factors influencing the fatigue performance of the car body. For cars at the back of the cracking problems， and put forward improvement ideas， two simulation methods as well as the dynamic and static， fast effective improvement scheme was put forward. The plan by the experimental prototype durability test to validate the feasible， at the back of the car body and the other for the future provide a valuable reference for solving the problem of fatigue failure of the structure.

Key Words： fatigue； stress concentration； big torsional static analysis

1 背景

隨著汽車市場越來越大，人們對汽車的安全性、可靠性的要求越來越高。在汽車行駛過程中，由于路面不平整等因素影響，車身通常會受到交變載荷的作用，在交變載荷的重復(fù)作用下車身結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生低于材料最大應(yīng)力水平下的疲勞破壞。車身作為汽車的重要支撐結(jié)構(gòu)，其疲勞耐久性能對整車的安全性、可靠性影響尤其明顯。

本文針對某三廂車型開發(fā)過程中，車身后部在耐久試驗中開裂問題為例，根據(jù)疲勞設(shè)計理論提出解決思路，并由此提出新的仿真分析思路，快速有效的提出解決方案，最終通過實車驗證解決了開裂問題。

2 問題描述

某三廂轎車在試制樣車階段進行輪胎耦合道路耐久試驗中，車身后部出現(xiàn)了不同程度的開裂現(xiàn)象。開裂的地方主要發(fā)生在車身后部后隔板處，后隔板是三廂轎車特有的結(jié)構(gòu)，位于車身后排座椅靠背的后面，行李箱的前面，連接左右側(cè)C柱鈑金結(jié)構(gòu)，如圖1所示。后隔板是重要的傳力路徑，對整個車身起到一個橫向的支撐，對整個車身的扭轉(zhuǎn)剛度、強度均有重要影響。

開裂的焊點表面平整，無脫焊的現(xiàn)象，排除是焊點工藝直接造成的開裂。輪胎耦合道路耐久模擬試驗中，對輪胎的激勵是一個循環(huán)的交變信號，而試驗中首次失效是發(fā)生在當(dāng)量2.67萬公里時出現(xiàn)，因此該失效為疲勞破壞的范疇。

3 開裂問題分析及解決方法

3.1 疲勞設(shè)計問題影響因素

疲勞壽命的計算方法通常通過試驗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及經(jīng)驗總結(jié)而成。典型的計算方法有S-N曲線的計算方法，該方法主要適用于構(gòu)件的實際應(yīng)力水平在材料的彈性范圍內(nèi)，且材料的失效循環(huán)次數(shù)很高的高頻疲勞問題，適用于后隔板開裂問題的范疇。理想化的S-N曲線為線性的，如下圖3所示：

其中，N代表在發(fā)生疲勞失效前，構(gòu)件所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)，稱為疲勞壽命；而S表示外加應(yīng)力或者應(yīng)力水平。該曲率b反饋材料的應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的比率，根據(jù)上圖得出：

從公式中可以看出，疲勞壽命與b、Se、S有關(guān)。其中，b與Se均與材料的本質(zhì)有關(guān)，通過選用疲勞極限較高的材料，有利于提高零件的疲勞壽命。在材料不變的條件下，零件的應(yīng)力水平與疲勞壽命呈反比，降低零件的應(yīng)力水平可以提高零件的疲勞壽命。

3.2 疲勞問題優(yōu)化方向

通過以上分析，針對車身后部區(qū)域的疲勞開裂形式，結(jié)合開發(fā)周期以及生產(chǎn)成本，主要從改善應(yīng)力水平、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向出發(fā)來解決問題，如下圖4所示：

鈑金件的加強筋、開孔及一些特征圓角等結(jié)構(gòu)處，會造成局部的應(yīng)力集中，隨著交變載荷累積的影響，最終產(chǎn)生疲勞失效。因此，找到疲勞性能薄弱區(qū)域，對該區(qū)域的結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)膸缀涡螤顑?yōu)化；同時，通過增加局部加強板結(jié)構(gòu)，增加焊點的數(shù)量等方法優(yōu)化力的傳遞路徑，改善零件的應(yīng)力水平，能提高零件的疲勞壽命。

3.3 大扭轉(zhuǎn)工況強度分析

傳統(tǒng)的車身耐久性能仿真分析，需要通過實驗采集載荷譜，通過載荷譜仿真分析法才能找到耐久性能薄弱點。整個的計算周期較長，效率較低。通過理論公式分析，性能薄弱點通常就是相對應(yīng)力水平較高的區(qū)域，因此我們采用靜強度工況—大扭轉(zhuǎn)工況強度分析，來找性能風(fēng)險區(qū)，計算周期短，效率高。

大扭轉(zhuǎn)工況是指在其他車輪無施加載荷的情況下，僅對右后輪施加垂直向上載荷，主要模擬了車身在垂直非對稱載荷工況下的狀況。通過分析，車身試驗過程中，后隔板等車身后部區(qū)域較高的應(yīng)力水平正是扭轉(zhuǎn)工況下產(chǎn)生的，因此選用該工況進行強度分析，來識別后隔板的疲勞風(fēng)險區(qū)。

首先通過3-2-1原則對車身上其它三個輪胎的懸架連接處進行約束，左前輪處約束Y向及Z向，右前輪處約束Z向，左后輪處約束XYZ向；然后對右后輪增加垂直向上的載荷（一般為3—5g），通過輪胎載荷計算，最終載荷反饋到右后輪的懸架與車身的安裝固定點上，如圖5所示。通過對比基礎(chǔ)車與目標(biāo)車在此工況下車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)變水平，確定需要改善的結(jié)構(gòu)區(qū)域并確定目標(biāo)值。最后，通過優(yōu)化基礎(chǔ)車應(yīng)力水平較高區(qū)域的結(jié)構(gòu)使其評價指標(biāo)接近于目標(biāo)值，從而達到改善車身可靠性的目的。

3.4 疲勞失效問題優(yōu)化措施及驗證

從以上改善思路出發(fā)，結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)形式，提出了以下的第一輪改善方案，如圖6所示：

1） 取消后部板件的加強筋；

2） 增加后座椅鎖扣加強板；

3） 增加局部加強板；

4） 增加左右封板，形成腔體結(jié)構(gòu)；

5） 取消前支撐板上的減重孔

由對比可知，優(yōu)化后車身后部區(qū)域應(yīng)力分布有明顯改善，最大應(yīng)力由基礎(chǔ)車的822Mpa降為437Mpa，應(yīng)力分布優(yōu)于基礎(chǔ)車和對標(biāo)車A，與對標(biāo)車B相當(dāng)。

通過以上大扭轉(zhuǎn)工況強度分析的結(jié)果，最終確定了第二輪的解決方案。改善方案已實施，改善效果明顯，在輪胎耦合道路耐久試驗中車身后部開裂問題未再發(fā)生，達到改善目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文主要針對某車型車身后部在輪胎耦合道路耐久試驗中開裂的問題，通過理論分析，提出了解決疲勞失效問題的思路。在識別疲勞風(fēng)險區(qū)域過程中，提出了大扭轉(zhuǎn)工況靜強度分析來替代載荷譜分析的思路。大扭轉(zhuǎn)工況靜強度分析能提高反饋速度，迅速鎖定產(chǎn)生疲勞性能薄弱區(qū)；同時，通過對比其他車型的應(yīng)力水平，能快速有效的確定優(yōu)化目標(biāo)值，為后續(xù)優(yōu)化方案提供依據(jù)。該分析方法具有顯著提高工作效率，降低開發(fā)風(fēng)險的優(yōu)點。

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