基于有限元的車輛可靠性增長方法的研究

王磊，鐘瑞，裴永琪，王華棟

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710020）

基于有限元的車輛可靠性增長方法的研究

王磊，鐘瑞，裴永琪，王華棟

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710020）

文章從有限元分析的角度研究了汽車可靠性在設計、生產、試驗階段的實現方法，闡述了有限元分析在可靠性提升中的指導性意義。通過可靠性方法的總結和數據積累，為新車型的開發提供幫助。

有限元；可靠性；整車設計

Abstract:This paper studies the realization method of vehicle reliability in design,production and experimental stage from the perpective of finite element analysis, and expounds the guiding significance of finite element analysis in reliability improvement. Through the summary and data accumulation of reliability methods, the development of new vehicle can be helped.

Keywords: finite element; reliability; vehicle design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-69-02

1 概述

汽車可靠性不僅是決定汽車效能、壽命周期和使用費用的重要因素，還與維修性、保障性相關聯。在整車設計尤其是軍車設計中，對可靠性要求更為嚴格。提高汽車可靠性一直是汽車行業的重大研究課題。汽車可靠性增長是一個系統性工程，貫穿了前設計、產品設計、零部件生產、分系統及整車裝配、車輛可靠性試驗、售后數據收集及反饋。其中有限元分析數據在設計、生產、試驗階段都具有很強的指導性。

文中重點提出了有限元分析對整車可靠性設計和提升的實現方法，從而實現其基礎型指導意義。

2 前設計階段的可靠性分配

前設計階段包括了產品規劃和可靠性的分配及文件編制。通過文件的編制將產品的可靠性指標進行分配和預測。形成各分總成的可靠性指標，從而為有限元分析提出了方向和目標。主要總成、子系統可靠性的分配流程如圖1所示。

圖1 系統總成可靠性分配流程

3 有限元在產品各階段的應用

3.1 設計階段

設計階段包含了產品的可靠性設計，其流程如圖2所示，在這一階段CAE分析對可靠性提升具有基礎性指導意義。運用有限元軟件對各結構件進行分析和壽命校核，并依據有限元分析結果提出改進方案，指導各總成的可靠性提升，并將驗證的方案推廣到其他零部件。

圖2 零部件可靠性設計流程

如圖3所示，通過有限元分析對某車型轉向擺臂進行結構優化，獲得形似人體關節的轉向擺臂結構，經可靠性驗證后推廣到其他擺臂的設計中。

圖3 分析結果在產品設計中的推廣

3.2 生產階段

3.2.1 產品探傷

依據有限元分析結果，指導零部件特別是鑄鍛件和焊接件的缺陷探傷。如圖4所示，是某車型懸架系統的下擺臂，由于其結構比較復雜，在探傷前先進行分區，然后根據有限元分析的結果選擇應力能比較集中的區域進行探傷，獲得其探傷報告。

圖4 下擺臂探傷區確認

3.2.2 微缺陷件的甄別

提出微缺陷件的概念，并依據有限元分析數據編寫微缺陷件再利用的甄別標準，在達到可靠性指標的基礎上，降低生產成本。如圖5所示，由于某車型橋連接板結構復雜、尺寸較大，鑄造時合格率不高，易出現微缺陷，如沙眼、疏松、縮孔等，因此可依據其有限元分析結果，制定詳細的甄別標準，標定各個區域允許出現的缺陷級別或零缺陷，將報廢的零件在保證可靠性的基礎上，得到了再利用。同時還可以指導鑄件加工有的放矢的改進鑄造工藝，保證零缺陷區的鑄造質量。并且機加工部門，在機加工中，一旦發現零缺陷區出現了缺陷，就可以放棄下一步的機加工步驟，節約了成本和時間。

圖5 微缺陷件甄別標準的確定流程

3.3 可靠性試驗階段

完成各分總成及整車的裝配后，整車進入可靠性試驗階段。對可靠性試驗中出現故障的零部件特別是疲勞或應力損傷的結構件，進行有限元分析，提出解決方案，并在后續的可靠性試驗中進行驗證。如圖6所示，某車型橢圓形截面的后橋擺臂在可靠性試驗中發生根部斷裂，經有限元分析后，將后橋擺臂截面優化為變截面的四邊形，其可靠性在后續試驗中得到驗證，并在其后的車型設計中固化為常用結構形式。

圖6 后橋擺臂優化后的可靠性提升

4 可靠性提升方法總結

試驗結束后，對出現故障和失效的零部件進行統計分析，獲得整車可靠度分布數據，通過對可靠性方法的總結和數據的積累，形成下一輪整車可靠性提升的依據，指導新產品可靠性設計，循環推進車輛的可靠性提升。

[1] 王秉剛.汽車可靠性工程方法[M].北京:機械工業出版社,1991.

[2] 顧履平,馮錫曙.實用可靠性技術[M].北京:機械工業出版社,1992.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2006.

A Study for Method of the Vehicle Reliability Growth Based on Finite Element

Wang Lei, Zhong Rui, Pei Yongqi, Wang Huadong
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710020 )

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-69-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.024

王磊，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍品研究所。