某越野車車架縱梁開裂失效原因分析及對策

韓偉 曾斌 方鵬 劉清 陳曠

摘? 要：對某款越野車車架在可靠性試驗中出現的縱梁開裂問題，通過故障樹分析及建立有限元模型進行結構力學分析，找到導致失效的主要原因。考慮到實際結構與工藝要求，本文提出了改進優化方案，并對方案進行結構力學分析和整車試驗驗證，開裂問題得到很好地解決。實踐表明這種解決問題方法有效，對其它同類結構力學問題有一定的參考意義。

關鍵詞：越野車車架;故障樹分析;結構力學;有限元分析;開裂

中圖分類號：U463.32? ? ?文獻標識碼：? ? ?文章編號：1005-2550（2018）06-0056-04

Cause analysis and Countermeasures for cracking failure of the longitudinal frame beam of an off road vehicle

HAN Wei， ZENG Bin， FANG Peng， LIU Qing， CHEN Kuang

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： According to the crack of the longitudinal frame beam of an off-road vehicle in the reliability test， the main cause of the failure is found out by structural mechanics analyzed by the fault tree analysis and the finite element model. Considering the actual structure and technological requirements， this paper proposes an improved optimization scheme， and the structural mechanics analysis of the scheme and the whole vehicle test verify that the cracking problem is well solved. The practice shows that this method of solving the problem is effective and has certain reference significance for other similar structural mechanics problems.

1? ? 引言

車架不但承擔發動機、車身、底盤、貨物和乘客的質量，而且還承受汽車行駛時所產生的各種力和力矩。因此，其可靠性不僅關系到整車能否正常運行，而且還關系到整車可靠性、安全性。從整車角度看，要求車架具有足夠的強度、適當的扭轉與抗彎剛度以及合理的模態分布。本文針對某款越野車在可靠性試驗中出現車架縱梁開裂問題，通過故障樹分析，找到問題的方向，并建立了整車有限元模型，利用CAE仿真找到開裂問題的具體原因。考慮到實際結構與工藝要求，對車架縱梁結構進行優化設計，最終通過有限元仿真和試驗驗證，結果表明優化設計方案有效。

2? ? 失效現象描述

某款越野車車架總成為典型的梯形結構，縱梁為箱形封閉斷面，由變截面槽形鋼焊接而成，共有5根橫梁，前后懸架處各有2根橫梁，支撐懸架上下三角臂，中間1根橫梁支撐動力總成。在試驗場進行可靠性試驗，右縱梁前部過渡處內外片焊縫出現開裂問題，開裂位置位于縱梁下部（橫向穩定桿后側），之后對開裂位置進行補焊處理，經過若干試驗里程后，補焊位置縱梁內片出現Z向裂紋，開裂照片見圖1所示：

3? ? 原因分析

3.1? ?故障樹分析

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱 FTA）是系統可靠性和安全性分析的工具之一。它是將系統故障形成的原因，由總體至部分按樹枝狀逐漸細化的圖形演繹方法，分析可能造成系統故障的各種因素，其目的在于判明基本故障、確定故障原因和故障發生的概率。根據故障樹分析方法，對引起開裂的原因，主要先從材料、工藝、產品防護、部品質量管控、設計缺陷等方面分析排查，見圖2所示。

如圖2車架縱梁故障樹所示，影響縱梁開裂共有12關鍵因素，針對這12關鍵因素，制定排查與檢測計劃。

通過以上分析，初步判斷有可能是縱梁局部強度不足導致開裂。

3.2? ?有限元分析

為驗證縱梁開裂具體原因，建立了包含駕駛室、貨箱、底盤、車架在內的整車有限元模型。鈑金采用殼單元模擬，鑄件采用四面體單元模擬，Rigid單元模擬焊縫和螺栓連接，Beam單元模擬關鍵位置的螺桿。對駕駛室、貨廂分別進行滿載配重，動力總成用質點代替，整車計算模型如圖3所示。分析中前處理采用Hypermesh軟件，后處理采用Hyperview軟件，模態、剛度計算采用OptiStruct求解器，強度計算采用Abaqus求解器。

強度分析，采用慣性釋放法，主要分析七種工況（靜態穩定工況、垂直跳動工況、驅動垂直跳動工況、制動工況、驅動轉向工況、轉向工況、極限轉向工況）下的應力云圖。

通過仿真分析可知：在驅動垂直跳動工況下，最大車架前部折彎處最大應力為535MPa，應力云圖圖4所示;在驅動轉向工況下，最大車架前部折彎處最大應力為534MPa，應力云圖如圖5所示。這兩種工況下，最大應力超過材料的屈服極限，其余工況均滿足要求（應力云圖這里不再給出）。綜上可以得出：縱梁前部折彎處應力超過材料屈服極限是導致開裂主要原因。

4? ? 設計改進對策及結果

4.1? ?改進優化方案

根據以上分析，開裂處為變截面過渡區域，前段臨近轉向機與橫向穩定桿，后段為縱梁中段，布置發動機后懸置，受布置空間與工藝限制，改動縱梁內外片結構、轉向機與橫向穩定桿布置非常困難，同時考慮到底盤平臺通用化，改動成本也非常高。基于實際結構與工藝情況，這里提出一種增加縱梁加強板與套管方案，即加強板向前至前懸架后支架處，向后至縱梁中段處，折彎處增加焊接套管，見圖7。如此，一方面可以消除由于截面突變帶來的應力集中，另一方面還可以通過局部加強的方法來降低應力值。

4.2? ?改進優化結果

對以上改進方案，重新進行結構力學仿真，各邊界條件不變，仿真結果如表2所示。對于強度仿真，這里只給驅動垂直跳動工況與驅動轉向工況。對于剛度仿真，這里主要分析車架彎曲剛度與扭轉剛度。對于自由模態， 在不添加任何約束的條件下，通常低階模態更容易被激勵，這里只給出前四階模態。

由有限元仿真結果可知，通過改進優化，車架最大應力明顯減小，縱梁開裂處強度滿足材料性能要求，車架總成剛度與模態均有提升，到達了預期結果。

根據改進方案，新試制了樣車，重新開展并完成了可靠性試驗，試驗過程中未再出現縱梁開裂問題。基于該車架的基型車與改裝車投入市場后，沒有出現類似問題，具有較好的經濟效益和社會效益。

5? ? 結論

開裂問題，在結構設計中是一類較為常見的失效形式，本文針對某越野車車架縱梁開裂問題，通過建立故障樹分析與有限元仿真模型，找出具體失效原因，充分考慮實際結構與工藝，給出改進優化方案，并再次對優化方案進行有限元分析仿真分析，最后通過整車試驗驗證，開裂問題得到解決。

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