汽車?yán)劝惭b點(diǎn)結(jié)構(gòu)的仿真模擬及試驗(yàn)研究

曾媛　陳宏璽　周文斌

【摘 要】某車型汽車?yán)戎Ъ馨惭b點(diǎn)在振動(dòng)耐久試驗(yàn)中發(fā)生多起疲勞開(kāi)裂失效的問(wèn)題。文章針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有的汽車?yán)劝惭b點(diǎn)進(jìn)行了模態(tài)和強(qiáng)度分析，確定了安裝點(diǎn)開(kāi)裂的主要原因是模態(tài)過(guò)低，結(jié)構(gòu)剛度不足，振動(dòng)疲勞開(kāi)裂，提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并且該方案通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，完全解決了喇叭安裝點(diǎn)開(kāi)裂的問(wèn)題，效果十分顯著。結(jié)果表明，應(yīng)用CAE仿真模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法可以有效地預(yù)測(cè)汽車?yán)劝惭b點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足剛度設(shè)計(jì)的性能要求。

【關(guān)鍵詞】汽車?yán)?；仿真模擬；喇叭安裝點(diǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剛度設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】U463.653 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）03-0042-04

0 前言

汽車?yán)仁瞧嚢踩到y(tǒng)中不可缺少的電器元件，成本低、壽命長(zhǎng)、高可靠性和耐環(huán)境能力成為汽車?yán)鹊陌l(fā)展方向。汽車行駛在道路上，汽車與汽車之間、汽車與其他交通工具之間、汽車與行人之間都不可避免地會(huì)為道路的使用產(chǎn)生矛盾，因此需要采用合適的方法提醒對(duì)方，汽車?yán)茸匀皇亲詈?jiǎn)單、最直接的工具。隨著汽車保有量的增加，汽車?yán)纫搽S之發(fā)展。汽車?yán)鹊男阅苤苯雨P(guān)系到行人和其他交通工具的安全。

汽車?yán)鹊姆诸愑卸喾N，諸如氣喇叭、電喇叭、機(jī)械式喇叭、電子式喇叭、蝸牛形喇叭、盆形喇叭等，但是它們的工作方式都是當(dāng)按下轉(zhuǎn)向盤上或其他位置的喇叭按鈕時(shí)，來(lái)自蓄電池的電流會(huì)通過(guò)回路流到喇叭繼電器的電磁線圈上，電磁線圈吸引繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，電流就會(huì)流到喇叭處。電流使喇叭內(nèi)部的電磁鐵工作，從而使振動(dòng)膜振動(dòng)而發(fā)出聲音。

汽車?yán)缺旧硎且粋€(gè)振動(dòng)激勵(lì)源，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)能量，對(duì)其安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)有較高的避振和剛度設(shè)計(jì)要求，以保證汽車?yán)日０l(fā)聲。以往的汽車?yán)劝惭b點(diǎn)的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求通常比較籠統(tǒng)，因此雖然設(shè)計(jì)人員都知道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)的重要性，但卻沒(méi)有提出明確的剛度設(shè)計(jì)或者沒(méi)有將剛度設(shè)計(jì)指標(biāo)充分考慮到初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。待結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)校核，滿足設(shè)計(jì)要求則設(shè)計(jì)完成，不滿足設(shè)計(jì)要求則通過(guò)不斷地修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)，可稱為被動(dòng)的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)方法會(huì)消耗大量的人力和物力。

本文主要針對(duì)某車型前艙部件——上彎梁焊合組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)此結(jié)構(gòu)件在整車耐久試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的汽車?yán)劝惭b點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，總結(jié)了汽車?yán)劝惭b點(diǎn)結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為汽車?yán)劝惭b點(diǎn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)和參考，變被動(dòng)的剛度設(shè)計(jì)為主動(dòng)的剛度設(shè)計(jì)，避免了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的偶然性和盲目性，可以大大地縮短其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期。對(duì)汽車?yán)劝惭b點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效展開(kāi)研究將有益于汽車企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、性能的提升，降低用戶的投訴率，同時(shí)對(duì)交通安全、噪聲環(huán)境治理和汽車生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能降耗也有非常重要的作用。

1 整車耐久試驗(yàn)路試車分析

在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各階段的樣車制造出來(lái)后會(huì)根據(jù)本公司的整車可靠性試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)的耐久規(guī)范試驗(yàn)。耐久規(guī)范涉及壞路、城市、蛇形、直線、高速、16坡度、點(diǎn)制動(dòng)、全制動(dòng)等方面。各規(guī)范構(gòu)成所占比例不同，比重最大的為壞路，其余比例根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分配。

某車型的前艙部件——上彎梁焊合組件在開(kāi)發(fā)階段的某次整車耐久性試驗(yàn)中，汽車?yán)劝l(fā)音不正常，經(jīng)排查確認(rèn)，電路和喇叭本身沒(méi)有故障，拆卸喇叭后發(fā)現(xiàn)，其左右喇叭安裝點(diǎn)開(kāi)裂（如圖1所示），發(fā)生開(kāi)裂時(shí)路試?yán)锍桃淹瓿?7 188 km。

上彎梁焊合組件喇叭安裝點(diǎn)開(kāi)裂說(shuō)明，上彎梁焊合組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

此結(jié)構(gòu)借用原有車型，原有車型的喇叭安裝點(diǎn)曾經(jīng)因喇叭進(jìn)水問(wèn)題導(dǎo)致失效的輸入而做過(guò)更改，將上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)下移了22 mm，更改后一共跑了4臺(tái)耐久路試車輛，含此故障車，經(jīng)復(fù)查發(fā)現(xiàn)，此4臺(tái)耐久路試車輛的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)均出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂。

反查喇叭安裝點(diǎn)更改前的上彎梁焊合組件耐久路試車輛，其他耐久路試車輛的上彎梁焊合組件喇叭安裝點(diǎn)無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象（如圖2所示）。

2 原因分析

上彎梁焊合組件前期為解決喇叭進(jìn)水問(wèn)題，根據(jù)喇叭安裝要求的輸入，將上彎梁焊合組件對(duì)應(yīng)的喇叭安裝點(diǎn)下移22 mm，導(dǎo)致模態(tài)下降，開(kāi)裂趨勢(shì)增大。

上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)處僅有單層板（t=0.8 mm），無(wú)螺母板加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度偏弱，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 其他車型結(jié)構(gòu)對(duì)比

為了進(jìn)一步確認(rèn)此車型的上彎梁喇叭安裝點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題的原因及尋求好的解決方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，特與其他車型的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了以下對(duì)比。車型A：上彎梁料厚t=1.2 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無(wú)開(kāi)裂；車型B：上彎梁料厚t=1.2 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無(wú)開(kāi)裂；車型C：上彎梁料厚t=1.0 mm，螺母板料厚t=1.0 mm，路試情況無(wú)開(kāi)裂；車型D：上彎梁料厚t=1.0 mm，螺母板料厚t=1.2 mm，路試情況無(wú)開(kāi)裂。

根據(jù)以上對(duì)比信息，各對(duì)比車型中的上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)處的料厚為1.0～1.2 mm，均大于0.8 mm，同時(shí)上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)均配有螺母板且料厚為1.0 mm～1.2 mm，路試結(jié)果好，無(wú)開(kāi)裂情況。

4 上彎梁焊合組件喇叭安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對(duì)上彎梁焊合組件喇叭安裝點(diǎn)的開(kāi)裂問(wèn)題，新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為在對(duì)應(yīng)的安裝位置增加1塊螺母板。方案一和方案二的螺母板形式尺寸相同，料厚分別采用1.0 mm和1.2 mm，螺母板與上彎梁焊合組件用2個(gè)點(diǎn)焊連接；方案三的螺母板采用“幾”字形結(jié)構(gòu)，加大與上彎梁焊合組件的搭接面，與上彎梁用4個(gè)焊點(diǎn)連接，其中2個(gè)二層焊、2個(gè)三層焊，料厚t=1.0 mm（見(jiàn)表1）。

5 CAE仿真模擬分析和方案對(duì)比

模型描述：上彎梁材料為BLD，料厚t=0.8 mm，喇叭重量為0.24 kg。

首先，喇叭安裝點(diǎn)位于上彎梁焊合組件上，通過(guò)螺栓連接的方式實(shí)現(xiàn)喇叭安裝。

其次，有了相關(guān)的安裝位置輸入條件后，可以借助整車強(qiáng)度分析工具CAE模擬分析上彎梁焊合組件喇叭安裝點(diǎn)的應(yīng)力情況來(lái)判定強(qiáng)度是否滿足要求。利用GRAV卡片定義重力加速度場(chǎng)，進(jìn)行模擬分析時(shí)，將工況分為以下3種。工況1：x向5 g加速度，z向-1 g加速度；工況2：y向7 g加速度，z向-1 g加速度；工況3：z向-10 g加速度。約束車身截?cái)嗝嫒孔杂啥取?/p>

由CAE仿真結(jié)果（見(jiàn)表2）對(duì)比各方案來(lái)看，各方案在3種工況下的最大應(yīng)力均符合要求，低于對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，即155MPa。強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)開(kāi)裂情況，同步對(duì)模態(tài)進(jìn)行模擬仿真，模態(tài)值見(jiàn)表2。

上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)下移22 mm狀態(tài)分析模型。上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)下移22 mm狀態(tài)的模態(tài)分析結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：由于喇叭重心位置的改變和力臂的變化，導(dǎo)致模態(tài)降低了1.4 Hz，新?tīng)顟B(tài)的模態(tài)為29.35 Hz，低于路面激勵(lì)30 Hz。

而從表2的仿真結(jié)果來(lái)看，方案三的一階模態(tài)最高為32.78 Hz。

由以上的仿真模擬分析來(lái)看（如表2和圖3所示），仿真模擬分析結(jié)果基本符合試驗(yàn)現(xiàn)象，由于前一階固有頻率比較低，處在整車一階模態(tài)范圍內(nèi)，因此引起了喇叭安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的共振。在模態(tài)仿真分析中，喇叭安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)一階模態(tài)為29.35 Hz，模態(tài)偏低，低于整車一階模態(tài)（30 Hz），說(shuō)明喇叭安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)確實(shí)在該頻率下存在共振現(xiàn)象。同時(shí)，該頻率最大應(yīng)變能位置為喇叭安裝點(diǎn)區(qū)域，與實(shí)際斷裂位置相符。由此可知，支架斷裂極可能是安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛度不足，導(dǎo)致其一階模態(tài)只有29.35 Hz，落在整車的激烈頻率范圍內(nèi)。該問(wèn)題的解決辦法是提高剛度，使安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率大于30 Hz；此外，上彎梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況三（27.6 MPa），低于材料屈服強(qiáng)度（≥155 MPa），滿足強(qiáng)度要求，因此排除了強(qiáng)度不足導(dǎo)致上彎梁安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的可能性。

當(dāng)喇叭支架的固有頻率與裝配支架鈑金的固有頻率接近或相等時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，從而影響喇叭的音質(zhì)，情況嚴(yán)重的可導(dǎo)致喇叭不能正常發(fā)聲。本文所分析的汽車?yán)戎Ъ芄逃蓄l率為27 Hz，而路面的激勵(lì)模態(tài)為30 Hz左右，喇叭安裝點(diǎn)的模態(tài)要同時(shí)遠(yuǎn)離以上2個(gè)激勵(lì)越遠(yuǎn)，則避振效果越好。因此，最終確定采用方案三，即在上彎梁焊合組件的喇叭安裝點(diǎn)處增加t=1.0 mm的“幾”字形螺母板，使用2個(gè)二層焊、2個(gè)三層焊與上彎梁進(jìn)行連接。

按方案三的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，喇叭安裝點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂。

6 結(jié)論

本文通過(guò)整車耐久路試振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)推斷汽車?yán)劝惭b點(diǎn)開(kāi)裂的原因是模態(tài)過(guò)低，對(duì)比其他成熟車型和利用仿真模擬結(jié)果，提出了優(yōu)化措施，即對(duì)于汽車?yán)劝惭b點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了需要考慮安裝點(diǎn)的應(yīng)力分析外，還需要考慮喇叭安裝點(diǎn)的模態(tài)要求，計(jì)算出喇叭支架的固有頻率后，可以和車身安裝點(diǎn)的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩者頻率接近或相等時(shí)，假定喇叭支架不改變，可以通過(guò)提高車身安裝點(diǎn)固有頻率來(lái)避免共振。最佳推薦喇叭在車身上安裝點(diǎn)所在的鈑金厚度至少大于1.2 mm（若條件允許，推薦厚度為1.5 mm）或者2層板結(jié)構(gòu)。

汽車?yán)葹榈湫偷钠嚇?gòu)件之一，汽車?yán)劝惭b點(diǎn)開(kāi)裂失效也是典型的結(jié)構(gòu)剛度引起的實(shí)際問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期采取主動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)思想，即主動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)法。主動(dòng)的結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期，就將剛度設(shè)計(jì)指標(biāo)通過(guò)各種分析手段定量地確定下來(lái)，以結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)一定的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合需要滿足的各種設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)出滿足該條件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)歸屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的逆向設(shè)計(jì)法。主動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)旨在使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)具有良好的剛度特性。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)具有良好的剛度特性，可以通過(guò)比較法和優(yōu)化設(shè)計(jì)法2種方法。

比較法是將幾套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)作為備選方案，然后分別進(jìn)行驗(yàn)證、分析、比較，從中選出最好的設(shè)計(jì)方案。這種方案操作簡(jiǎn)單、方便、快捷，但是設(shè)計(jì)結(jié)果受限于備選方案，且得到的結(jié)果不一定滿足設(shè)計(jì)要求的最好設(shè)計(jì)結(jié)果，而只是幾種備選方案中最好的。

優(yōu)化設(shè)計(jì)法以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，滿足一定的設(shè)計(jì)條件，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，使設(shè)計(jì)出的結(jié)果具有良好的剛度特性。主動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)法中的比較法具有方便、快捷的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化法可以保證取得的值最優(yōu)，二者可以結(jié)合使用。通過(guò)比較法得到的較優(yōu)解可以作為優(yōu)化法的設(shè)計(jì)初始值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]和麗梅.某微型車上彎梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2010（22）.

[2]陳宏璽，朱燈宏.某微車膨脹箱安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（19）.

[3]Q/SGMWJ 0801—2011，整車常規(guī)可靠性試驗(yàn)規(guī)范[S].

[4]黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[5]林炳華.最新汽車使用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2005.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]