某軍用越野車A柱結構改進與優化設計

李功明，王滿祥，陳桂均

（1.南京汽車集團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

隨著國防建設的加大，滿足軍隊日益增長的多方面的實際需求，適應現代化快速反應能力、強大投送能力、高度機動能力的軍隊需求，開發出符合國標和軍標的高性能軍車產品，是企業對國防建設應做的貢獻。

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

A 柱是車輛的重要組成部分，需要足夠的強度、剛度，出現裂紋會導致：1.前門框變形，出現門下垂現象，影響前門的開啟；2.影響前風擋玻璃的密封，嚴重時可導致前風擋玻璃開裂；3.影響前門密封。針對此問題，對發生故障的車輛做統計分析，如表1所示：

表1 車輛統計信息

從車輛的統計情況分析，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1萬公里時會出現開裂現象，且左右A柱上部、A柱下部開裂現象無規律的發生。

2 問題分析

2.1 實際使用路況分析

車輛主要行駛區域為青海格爾木戈壁灘，道路情況主要是沙石路，相對研制定型時道路試驗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 3#車輛缺陷區域拆解分析，觀察裂紋走向。在 A柱上部與側頂梁、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，延伸后進而使得 A 柱上部開裂。 A柱下部與前門鉸鏈加強板、前風擋下橫梁接頭處的裂紋是從前門框內板與前門框外板焊點處開始延伸，進而使得區域出現開裂，如圖 5所示。觀察 2#、7#車 輛的 A柱下部，雖然未開裂，但是已出現了焊點脫落現象。

2.3 缺陷區域受力分析

針對出現裂紋的區域，在對角兩輪懸空扭轉工況（模擬青海格爾木戈壁灘沙石路況）下，提取車架加載點載荷，如圖6、表2所示。對車輛模型通過有限元分析軟件分析后得出， A柱上部缺陷區域最大應力值為 169.2 Mpa，A柱下部缺陷區域最大應力值為 165.8 Mpa，如 表3所示。通過對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、下部缺陷區域應力值

從表3可以看出，A柱上部、A柱下部最大應力值處于材料的許用范圍。青海格爾木戈壁灘沙石路，對角兩輪懸空的扭轉工況頻率較高。車輛在使用過程中出現扭轉疲勞，導致缺陷區域出現裂紋。由于缺乏大量數據證明對角兩輪懸空扭轉工況是否能夠真實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降低缺陷區域的應力值，并且后續通過樣車在實際路況下路試驗證。

3 改進措施與驗證

3.1 前門框外板型面優化

A柱上部與側頂梁、前頂橫梁接頭處，前門框外板拐角處的工藝缺口存在應力集中現象。從故障車A柱上部裂紋走向來看，裂紋從工藝缺口處延伸出來，所以優化此處缺口對改善應力集中現象非常明顯。因如果完全去除此處工藝缺口，需要修改此區域結構，涉及到改動件非常多。綜合考慮成本周期等原因，通過成型工藝分析，調整工藝缺口大小，以及增大圓角半徑，使之缺陷區域圓角平緩過渡，有效緩解應力集中現象。

通過模型分析得出 A柱上部以及下部最大應力值，并與優化前形成對比，如圖8，圖9及表4所示:

表4 A柱上部、下部缺陷區域結構優化后的應力結果以及優化比例

3.2 A柱節點結構優化

A柱上部與側頂梁、前頂橫梁接頭截面，A柱下部與前門鉸鏈加強板、前風擋下橫梁接頭截面優化，如圖10所示。根據截面優化得到A柱上部、A柱下部缺陷區域結構優化后的模型，如圖11、圖12所示:

A柱上部接頭處，增加的加強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力。A柱下部接頭處，增加的加強板與前門鉸鏈加強板、前門框外板搭接，能夠有效的緩解此處的應力集中現象。通過CAE分析模型得出最大應力值進行對比分析，如圖13、圖14所示，表5所示:

表5 A柱上部、下部缺陷區域結構優化后的應力結果以及優化比例

3.3 焊點布置優化

從2#、3#以及7#故障車A柱下部裂紋走向觀察結果來看，裂紋從焊點處往外延伸。布置在缺陷區域的焊點出現了應力集中現象，進而導致焊點失效，使得局部區域結構出現坍塌，產生裂紋。

理論上，焊點的布置應配合前門框在工況下的彎曲扭轉變形形式。在扭轉工況下，焊點失效是拉伸應力和剪切應力共同作用的結果，所以焊點布置優先在前門框應力較小的位置。如圖15所示，存在缺陷的區域 B在優化后沒有布置焊點，而在區域 A、區域C的焊點間距由原來60mm調整至45mm。因缺乏焊點布置區域的疲勞分析手段，所以無法通過 CAE分析得出優化前后的應力對比。

3.4 增加塑料增強件

在 A柱上部與側頂梁、前頂橫梁接頭處以及A柱下部與前門鉸鏈加強板、前風擋下橫梁接頭處增加塑料增強件（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，塑料增強件通過金屬卡扣固定在前門框內板上以及前門上鉸鏈加強板上。在涂裝車間，塑料增強件與前門框貼合處在高溫烘烤后膨脹并與周邊區域固化。這樣 A柱上下兩處接頭處形成一個整體，提高了缺陷區域抗彎、抗扭的能力。通過 CAE分析模型得出最大應力值進行對比分析，如圖 18，表 6所示:

表6 A柱上部、下部缺陷區域結構優化后的應力結果以及優化比例

3.5 空腔注入增強膠

在 A柱上部與側頂梁、前頂橫梁接頭處以及A柱下部與前門鉸鏈加強板、前風擋下橫梁接頭空腔內注入雙組份環氧增強膠。兩種組份在一定比例下通過膠槍混合后注入 A柱上下接頭腔體內并固化。使得上下兩處接頭處形成一個整體，提高了缺陷區域抗彎、抗扭的能力。

綜合考慮費用成本、周期等因素，如表7所示。采用前門框外板型面優化、焊點布置優化、接頭節點結構優化，并在空腔內注入增強膠的措施來改善缺陷區域的應力狀況。后續通過樣車在青海戈壁灘沙石和越野路況下進行路試驗證，均未發生開裂現象。

表7 改進優化措施成本與周期對比

4 總結

針對車輛實際運行工況，根據分析結果，優化車輛 A柱上部與側頂梁、前頂橫梁節點，以及A柱下部與前門鉸鏈加強板、前風擋下橫梁節點截面。采用修改前門框外板型面過渡圓角，調整焊點布置，增加塑料加強件、加強板，腔體注入雙組份環氧增強膠等措施，降低缺陷區域最大應力值，提高能夠在高頻扭轉工況下抗疲勞扭轉的能力。并為后續解決此類問題提供參考性建議。

[1] 余志生主編.汽車理論[M].機械工業出版社,第三版.

[2] 姚貴升.汽車金屬材料應用[M].北京理工大學出版社,第三版.

[3] 郁大照，陳躍良，段成美. 多缺口應力集中系數有限元研究 [J]. 強 度與環境， 2002,04(29): 019-023.

[4] 黃 金陵.汽車車身設計 [M].機械工業出版社.2007.

[5] 李 健，嚴瑾. 鈑金件焊接性能試驗研究 [J].電子機械工程， 2012,02(28): 049-052.