某車型車箱鈑金開裂問題的分析與改進

檀慶榜

(長城汽車股份有限公司河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心,河北保定 071000)

0 引言

車身設(shè)計過程中，要借助CAE仿真分析手段，滿足車身強度的前提下，以達到結(jié)構(gòu)輕量化及成本最低的目的。在車身設(shè)計過程中，由于成本、質(zhì)量的壓力會出現(xiàn)車身強度不足的情況出現(xiàn)，此時CAE分析結(jié)果的準確性顯得尤為重要。CAE仿真分析的準確性固然與建模的準確性、輸入?yún)?shù)的準確性息息相關(guān)，同時與模型的運動分析模擬情況也更為直接。本文作者對某車型車箱開裂問題分析、改進到驗證整個過程的研究，找出了車箱鈑金開裂的原因及解決方案，為此部位開裂問題的研究提供了一個參考依據(jù)。

1 問題描述

車輛在廠區(qū)試驗廠內(nèi)進行耐久試驗時出現(xiàn)開裂問題，故障里程為2 433～21 495 km，開裂位置為車箱邊板燈角處、邊板與加強板焊接(二保焊和點焊)位置。具體故障模式如圖1所示。

圖1 開裂圖示

2 原因分析

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，該車型車箱鎖體采用柱銷鎖型式，鎖體固定端安裝于車型邊板總成，鎖止端固定于車箱邊板總成。后板鉸鏈固定于車箱后板總成，通過一個螺栓固定于車箱板邊總成，同時該螺栓起到鉸鏈轉(zhuǎn)軸的作用。

如圖3所示,邊板外板與內(nèi)板通過支撐板連接，鉸鏈加強板在安裝鉸鏈位置為平板結(jié)構(gòu)，邊板外板與鉸鏈安裝板直接連接。

圖2 車箱后板布置爆炸圖

圖3 車箱邊板設(shè)計結(jié)構(gòu)

2.2 實車加速度采集及應力分析

2.2.1 加速度和應力采集

依據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)分析，該問題振動源應為車箱后板振動傳導至邊板鉸鏈加強板，再由鉸鏈加強板將振動傳導至車箱邊板造成鉸鏈加強板及車箱邊板應力過大，最終導致開裂問題出現(xiàn)。故對車箱后板進行加速度采集，車同時對開裂部位進行應力采集。

由于材質(zhì)屈服強度在不同應變速率下的屈服力差別較大,且隨著應變速率的增加,低碳鋼的下屈服強度在逐漸增加[1]。邊板外板材質(zhì)為DC56 D+Z,屈服強度為120～180 MPa，3處開裂位置應力最小為120 MPa，超出材料屈服強度。具體見表1和表2。

表1 加速度采集

表2 應力采集

2.2.2 CAE仿真分析

使用Hyper works 軟件的Hyper mesh 模塊對3D 模型進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。車箱總成為薄板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，故在Hyper mesh 中以各零部件中面為基礎(chǔ)，利用四邊形殼單元進行網(wǎng)格劃分，建立車箱總成有限元模型，采用實體單元與剛性單元相結(jié)合的方式模擬焊縫，長度與實際的焊縫長度相符，得到有限元模型[2]。

對開裂部位進行總體受力分析，判斷車箱后板與邊板約束模型的情況存在兩種可能性：(1)后板與鉸鏈位置為轉(zhuǎn)動約束，后板鎖位置由于柱銷鎖的特性使X向受到擠壓約束，Y、Z方向為自由約束；(2)車箱鉸鏈位置為轉(zhuǎn)動約束，后板鎖位置X、Y、Z3個方向均為自由約束。以上兩種假想簡稱力學CAE分析模型，結(jié)果見表3。

表3 CAE仿真分析結(jié)果

由表3可知當鎖位置應該是X、Y、Z3個方向均處于自由狀態(tài)時，分析結(jié)果與實車采集的各位置應力值基本一致，可以判定該模型與實車狀態(tài)一致，需在此模型狀態(tài)下進行方案驗證。

2.3 解決方案制定

由第2.1節(jié)數(shù)據(jù)分析結(jié)論結(jié)合第2.2節(jié)CAE分析結(jié)果，可以判定是由于鉸鏈安裝位置偏軟并且車箱外板作為鉸鏈的承力件造成引起車箱相關(guān)外置開裂。整改思路為鉸鏈安裝板與車箱內(nèi)板間增加連接，形成盒型加強結(jié)構(gòu)，結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化后結(jié)果

由表4可以看出優(yōu)化后3處應力均小于材料屈服強度，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

車箱后板位置運動約束模型應為鉸鏈位置轉(zhuǎn)動約束，鎖位置為自由狀態(tài)。鉸鏈安裝點等受力較大位置應該與內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計成封閉的盒型結(jié)構(gòu)，以增強整體結(jié)構(gòu)的強度。分別通過4×104km試驗場耐久試驗驗證及5×104km中國西南、東南、西北地區(qū)實地耐久試驗驗證，車箱后板位置無開裂現(xiàn)象，符合設(shè)計要求。