商用車前保險(xiǎn)杠支架斷裂分析與優(yōu)化

史季青，王淼，高軍委，陸豪，郭寧

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

前言

車輛在行駛過程中，承受來自地面不平度、輪胎激勵(lì)和來自發(fā)動(dòng)機(jī)的各種激勵(lì)，而往往在一些車輛附件的分析驗(yàn)證過程中，忽視了這些激勵(lì)對附件的影響，從而產(chǎn)生各種各樣的振動(dòng)問題。

1 問題描述

本文分析所遇到的問題即某商用車前保險(xiǎn)杠在試驗(yàn)場進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)過程中，保險(xiǎn)杠支架出現(xiàn)斷裂。具體情況如圖1所示，左圖為初始方案（方案一），紅線為保險(xiǎn)杠支架的斷裂位置。后經(jīng)現(xiàn)場工程師在斷裂位置附近增加邊條（方案二），期望改善斷裂位置的強(qiáng)度，然而經(jīng)過試驗(yàn)，紅線位置處再次斷裂。后將問題轉(zhuǎn)移至分析部門。

2 分析

2.1 靜強(qiáng)度分析

根據(jù)設(shè)計(jì)部門輸入，保險(xiǎn)杠支架采用Q235 材料，保險(xiǎn)杠與車架也均為鋼材。利用HyperMesh 建立保險(xiǎn)杠及支架的有限元模型，截取部分車架模型。其中車架、支架及保險(xiǎn)杠本體均為薄板類部件，采用Shell 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，螺栓連接采用RBE2+CBAR 單元模擬，有限元分析模型如圖2 所示：

圖1 故障形式

對模型進(jìn)行車輛常用工況分析，分別為垂直、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)，考核保險(xiǎn)杠支架靜強(qiáng)度能否滿足材料要求。

圖2 保險(xiǎn)杠分析有限元模型

方案一和方案二在垂向沖擊工況下應(yīng)力最大，應(yīng)力結(jié)果如下圖所示：

方案一強(qiáng)度分析結(jié)果（61.8MPa）

圖3 方案二強(qiáng)度分析結(jié)果（48.9MPa）

結(jié)果顯示，保險(xiǎn)杠支架的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料Q235 的屈服極限，初步判斷導(dǎo)致材料失效的原因并非靜強(qiáng)度失效。

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)靜強(qiáng)度分析結(jié)果，導(dǎo)致保險(xiǎn)杠局部材料失效的原因可能是由于動(dòng)載荷的作用引起的破壞。所以對保險(xiǎn)杠系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，了解系統(tǒng)的固有特性。全約束車架端截面，進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果見圖4、圖5 所示：

方案一與方案二的一階約束模態(tài)分別為 17.6Hz 和20.6Hz，陣型為保險(xiǎn)杠的前后扭轉(zhuǎn)模態(tài)，且模態(tài)應(yīng)力的分布、斷裂位置及走向趨勢與破壞形式一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員提供的數(shù)據(jù)，樣車驗(yàn)證的路面多為搓板路和比利時(shí)路面，其中搓板路行駛速度為50-60km/h，比利時(shí)路為30km/h。根據(jù)試驗(yàn)場的數(shù)據(jù)查詢得知，搓板路的波長為750-1000mm，波峰高20-75mm，比利時(shí)路為長幾十厘米的方形混凝土隨機(jī)鋪砌。根據(jù)計(jì)算，搓板路對車輛的主要激勵(lì)頻率為13.89～22.22Hz，比利時(shí)路的主要激勵(lì)頻率范圍為16.67～41.67Hz。以上兩方案的一階模態(tài)均包含在路面的激勵(lì)頻率內(nèi)。由此可推斷破壞是由于路面的動(dòng)載荷激勵(lì)引起的。

圖4 方案一模態(tài)分析結(jié)果（17.6Hz）

圖5 方案二模態(tài)分析結(jié)果（20.6Hz）

故通過改善保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的抗前后扭轉(zhuǎn)的剛度，進(jìn)而提升保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的一階模態(tài)，使模態(tài)與路面的激勵(lì)頻率分離。

圖6 改進(jìn)后方案

經(jīng)過多次的方案驗(yàn)證，確定改進(jìn)方案如上圖所示。旨在將原結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋在設(shè)計(jì)空間內(nèi)充分發(fā)揮抗扭的作用，改為圖中綠色的肋，厚8mm。經(jīng)驗(yàn)證，一階模態(tài)頻率提升至29.8Hz。

圖7 改進(jìn)后優(yōu)化方案

2.3 掃頻激勵(lì)

通過X、Y、Z 三方向加速度激勵(lì)對保險(xiǎn)杠進(jìn)行掃頻分析，其中結(jié)果如圖8 所示，三方向0-50Hz 內(nèi)最大應(yīng)力為121.2 MPa，為Z 方向在47Hz 激勵(lì)點(diǎn)，其應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖8 優(yōu)化后掃頻結(jié)果

3 結(jié)論

通過對保險(xiǎn)杠系統(tǒng)局部材料失效原因分析，確定了引起破壞的原因?yàn)橐浑A模態(tài)頻率較低，與路面的激勵(lì)相耦合而引起的振動(dòng)所致。故通過改變結(jié)構(gòu)，提高其一階模態(tài)頻率，同時(shí)進(jìn)行掃頻分析，結(jié)構(gòu)的模態(tài)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

最終樣車采用更改的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，再未出現(xiàn)相關(guān)的質(zhì)量問題，驗(yàn)證了方案方法的有效性。