某商用車前保險杠開裂問題分析及優化

李金龍，胡鵬，馬媛媛，肖攀，周建文

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401100）

某商用車前保險杠開裂問題分析及優化

李金龍，胡鵬，馬媛媛，肖攀，周建文

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401100）

針對某商用車前保險杠在耐久性能道路試驗過程中出現的開裂問題，基于前保險杠總成及車身的CATIA數據，使用有限元分析軟件建立了前保險杠有限元分析模型。通過有限元分析的方法找出前保險杠開裂原因，并結合性能、成本、可行性提出優化方案，成功解決了前保險杠開裂問題。

前保險杠；開裂；有限元分析

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-19-03

引言

汽車在使用過程中承受著來自道路的各種載荷作用。所以在汽車上市之前要對試驗車進行強化路面的疲勞路試驗證。汽車車身及各個部件要有足夠的剛度保證其裝配性能及使用要求，并且要有足夠的強度保證其結構性能及壽命。疲勞耐久路試就是為了驗證汽車車身及零部件是否滿足設計要求。路試中往往會發生一些車身結構的開裂等問題。針對汽車車身及部件在路試中出現的開裂問題，通常利用有限元方法分析出損壞的原因[1]，找到危險區域并提出優化設計方案。本文以某商用車在道路試驗中出現的前保險杠開裂問題為例，采用有限元分析的方式分析開裂原因并提出優化方案，成功解決了該車前保險杠開裂問題。

1 前保險杠開裂問題描述

某商用車開發人員在強化耐久道路進行道路試驗過程中，在綜合道路試驗進行了4000km左右時，多臺試驗樣車前保險杠出現了開裂失效問題。需要有針對性的對該開裂問題進行分析，提出改進方案。前保險杠開裂位置如圖1所示。

圖1 前保險杠開裂位置圖

2 前保險杠開裂問題原因分析

2.1 前保險杠總成構成型式

前保險杠總成主要包括：前保險杠本體；前保險杠格柵；前保險杠上部、中部、下部、左右安裝支架；左右霧燈。

前保險杠本體材料為PP+E/P-T20；前保險杠格柵材料為ABS；安裝支架材料為DC01。

2.2 前保險杠開裂原因初步分析

前保險杠在汽車行駛過程中會受到路面、發動機、傳動系統等激發的振動。有些惡劣工況會讓車身及部件承受較大的載荷。由路面引起的強烈顛簸、左右轉向、前后剎車等工況都會產生較大的加速度。

該前保險杠開裂有以下特點：

1）裂紋產生的較快，四天路試即會引起開裂并且擴展速度很快。

2）前保險杠搭接在前大燈下方掛點的前保本體移到了掛點下方，說明前保險杠在路試中位移較大，如圖1所示。

試驗車輛前保險杠在短時間內出現裂紋，說明該前保險杠是在高應力的情況下發生低周應變疲勞失效。低周應變疲勞失效的特點是破壞區域應力較大[2]，接近或超過材料屈服強度。降低開裂位置應力是解決該問題的有效方法。

2.3 前保險杠有限元模型的建立

為了得到最真實的前保險杠的邊界條件，本文截取車身前端500mm和前保險杠總成的CATIA數模，利用Hypermesh軟件建立有限元模型[3]。鈑金件及前保險杠塑料件采用shell單元劃分，單元尺寸4mm。實體部件用四面體單元進行劃分，單元尺寸3mm。螺栓及卡接用RBE2單元進行模擬，點焊用HEX+RBE3單元進行仿真。最終得到的有限元模型含單元328169個、節點256110個。左右霧燈分別在質心配重1Kg。有限元模型如圖2所示：

前保險杠總成中所使用的材料參數如表1所示。

表1 材料參數介紹

本文只針對前保險杠的強度進行仿真，驗證前文對開裂原因的初步推測。仿真工況介紹及評價標準如表2所示：

表2 強度仿真工況介紹

2.4 仿真分析結果

通過計算得到前保險杠的強度仿真結果。結果統計如表3所示。

表3 仿真結果統計

結果顯示：

1）工況1及工況2最大應力均未超過目標值，滿足前保險杠材料性能要求。

2）工況3前保險杠的最大應力超過了材料目標值，不滿足前保險杠材料性能要求。其應力云圖如圖3所示。結果云圖顯示最大應力所在位置與實際開裂位置一致，驗證了前文對開裂原因的推斷。

工況3的最大應力已經超過了材料屈服強度，會引起材料的塑性變形，所以短時間的道路試驗就會引起前保險杠的開裂。提出優化方案降低前保險杠最大應力就能解決開裂問題。

圖3 Z-5g工況應力云圖

2.5 前保險杠的優化方案

分析該前保險杠的結構及受力情況可知：

1）前保險杠最大應力位置過于薄弱，需要對該位置增加寬度和厚度進行加強杜。但前保險杠涉及到產品的外觀，所以不能輕易對造型進行改動。所以這個優化方向是不可實施的。

2）左右、中部、下部安裝支架較為薄弱，在Z-5g工況中變形加大，對重力的支撐作用不夠。大部分重力由上部安裝點承擔，所以最大應力就會出現在起連接作用的格柵邊框連接處。增加其他支架對Z向載荷的支撐作用將有利于減小格柵連接處的最大應力。

圖4 左右安裝支架加強板

考慮到性能、可實施性、成本等因素，對三個薄弱的安裝支架提出以下優化加強方案：

建議一：前保險杠中部安裝支架從1.0mm增加到2.5mm。

建議二：前保兩側安裝支架增加兩塊加強板（淺黃色及藍色加強板），厚度為1.5mm；如圖4所示。

建議三：前保下端安裝支架增加Z向的加強支架與車架相連，直徑8mm。如圖5所示。

圖5 下安裝點加強支架

將以上優化方同時實施，仿真得到優化后的前保險杠總成強度計算結果。結果統計如表4所示。結果顯示優化后的前保險杠總成滿足了加速度工況的強度性能要求。

表4 優化后仿真結果統計

3 結論

通過建立前保險杠總成的有限元模型，對前保險杠的強度進行分析，找到了該前保險杠的開裂原因。根據有限元分析結果，綜合結構性能、可實施性及成本等因素，提出三個優化方案。加強后的前保險杠最大應力從22.0MPa降低為8.3MPa，滿足了材料的強度性能要求。

利用有限元方法分析得到開裂問題的原因，提出優化方案并成功解決了前保險杠開裂問題。有限元方法的使用有利于縮短開發周期，節約開發成本，對結構的設計及改進具有重要的指導意義和應用價值。

[1] 胡玉梅.車輛結構強度基本理論與CAE分析技術[M].重慶:重慶大學出版社.2009.

[2] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M]. 武漢:華中科技大學出版社,2001.

[3] 王鈺棟,金磊,洪清泉.HyperMesh&Hyper-View應用技巧[M].北京:機械工業出版社.2014.

Analysis and Optimization of Cracking of Front Bumper of Commercial Vehicle

Li Jinlong, Hu Peng, Ma Yuanyuan, Xiao Pan, Zhou Jinwen
( Chian Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd, Chongqing 401100 )

A front bumper appeared a crack in the fatigue road test. In order to solve the problem of the crack, a finite element model of the front bumper was established. At first, Found the cause of cracking by the finite element analysis. then put forward a reasonable optimization program.

Front bumper; crack; FEA

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-19-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.008

李金龍，男，就職于中國汽車工程研究院股份有限公司。整車性能分析工程師，碩士，汽車CAE強度耐久方向。