某車型發動機罩焊點開裂原因分析及方案改進

張承良

（眾泰新能源汽車有限公司 杭州 310018）

1 前言

隨著計算機技術的普及和提高，以及CAE仿真技術的逐漸成熟，其效率高、成本低的優勢也逐漸凸顯，現已成為國內外各個汽車廠商快速找出產品設計最佳方案和縮短開發周期的必要手段。CAE（Computer Aided Engineering）是采用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應等力學性能的分析計算、結構性能優化等問題的一種近似數值分析方法。它通常指有限元分析和機構的運動學及動力學分析。CAE仿真分析運用范圍較廣，使用的分析軟件也較多，將使用常用的Hyperworks和nCode軟件對數據方案進行計算對比分析，輔助設計，選出最優方案[1]。

2 問題描述

2019年6月，某款新開發車型正在北京進行綜合耐久路試，對樣車（132#、133#、134#、135#）進行例行檢查，發現132#車在發動機罩左側鉸鏈安裝位置的一個焊點有輕微裂紋，如圖1所示，該車行駛里程41 953 km，變工況循環95，完成95%，綜合耐久試驗要求100循環。同時，另一臺在襄陽試驗場進行底盤強化耐久試驗的路試車在右側相對應位置的焊點也發現了開裂現象，如圖2所示，該車行駛里程2 830 km（其中強化惡劣路況2 663 km），交變惡劣工況35循環，完成試驗30%，底盤強化耐久試驗要求120循環。

3 原因分析

發動機罩是汽車前端為了維修發動機艙零件而設置的可開啟的鈑金骨架結構，與汽車的側門和后背門合稱開閉件[2]。發動機罩的鈑金結構總成主要由發動機罩外板、發動機罩內板、鉸鏈加強板、鎖扣加強板等焊接組成，由于是可開啟和關閉的裝置，一般需要通過2個發動機罩鉸鏈把發動機罩和車身連接，使其具有開啟和關閉功能，并通過安裝在發動機罩上或車身上的鎖來嚙合鎖扣，使其具有上鎖和解鎖發動機罩的功能。即發動機罩是通過2個鉸鏈和1個或2個鎖與車身連接的可開閉裝置，把鉸鏈和鎖簡化來看，就是發動機罩是通過3個或4個點連接到車身上的，在車輛行駛過程中，各種載荷會通過車身經由發動機罩鉸鏈和鎖傳遞到發動機罩上，同時發動機罩的本身也因自重，會隨著車身的晃動，出現微小的搖晃。這就要求鉸鏈和鎖的安裝區域要有足夠的強度和剛度，需要能夠承受各種工況交變的疲勞耐久試驗。比如發動機罩的開閉耐久系統試驗，即在室溫、高溫80℃和低溫-30℃等不同溫度工況下，發動機罩需滿足共計2 500次的開閉循環而不損壞。本案例為在整車進行綜合耐久路試時，發動機罩鉸鏈安裝區域的焊點產生了裂紋，如圖1和2。

通過對樣車發動機罩開裂的焊點進行初步分析和評估，首先排除了工藝上的質量缺陷。

a.焊點無焊接質量問題，如圖3所示，其外觀無變形、無深坑過燒、無虛焊等現象；

b.發動機罩的4個可調緩沖塊和2個固定緩沖塊，經檢驗在關閉狀態時接觸良好，已經起到設計要求的支撐和緩沖作用[3]。在后續的路試中，又出現2臺車在相對應的位置有焊點開裂現象，可以證明絕不是偶然因素引起的開裂。

從設計角度分析發現，鉸鏈加強板的焊點布置情況如圖4所示，在鉸鏈臂頂端邊線（B-B線）外沒有布置焊點，而開裂的焊點剛好處在發動機罩鉸鏈的切邊上，當發動機罩內板受路況和自重的激勵時，如圖5所示，力f使內板上下運動，相對于比較厚的加強板和鉸鏈，內板就如一層薄紙片在做折彎運動，在夾持邊界出現應力集中，使折彎線上的焊點開裂。

4 改進方案

經過分析，對發動機罩鉸鏈加強板的焊點排布進行了優化。

a.方案A，鉸鏈加強板加大，并增加2個焊點，如圖6所示，目的是分擔開裂焊點的應力。

b.方案B，在方案A的基礎上增加結構膠，增強內板與加強板的貼合強度，如圖7所示。

c.方案C，在方案A的基礎上，再加大加強板邊界，增加3個焊點，使貼合面更多，進一步降低開裂風險，如圖8所示。

5 輔助驗算

應用CAE軟件對產品進行性能分析和模擬時，一般要經歷以下3個過程。

a.前處理，即模型處理、網格劃分、物理屬性和邊界條件的添加；

b.有限元分析，即求解計算；

c.后處理，即結果的輸出和判斷，其輸出結果形式有矢量圖、彩色云圖、粒子流跡等圖形或文本。

本案例運用Hypermesh軟件，對整車的車身結構零件進行網格劃分，簡化建模，并細化需要求解區域的網格，焊點實際上是將兩小片金屬，即兩點間鈑金的厚度，溶成一小片固體，其厚度是鈑金厚度，使用bar+RBE3來模擬，如圖9所示。

然后添加約束和加載，在發動機罩總成區域的6個緩沖塊和2個鉸鏈的安裝接觸點約束6個自由度SPC1～SPC6，在鎖扣嚙合點約束X和Z方向的自由度，釋放鉸鏈旋轉自由度，如圖10所示。

在車底前后懸架共加載15個點，90個通道；并輸入在襄陽試驗場采集到的速度為48 km/h的比利時路路譜，如圖11所示，為前減振器接口點的三分力載荷路譜。

把上述的3個改進方案和原始開裂樣車的數據，分別建好模型后提交到超級服務器計算，得出了各個方案的原開裂的那個焊點的疲勞耐久損傷值[4]，如圖12和表1所示，從中可以看出，方案C的焊點疲勞耐久損傷值降低幅度最大，相比原始樣車，左、右側相對應位置焊點的損傷值降低分別為77.4倍和103.2倍，均小于目標值1。所以按方案C執行設計變更。

表1 改進方案的焊點疲勞耐久損傷值

6 結論驗證

通過執行方案C設計變更后，在后續的樣車路試中通過驗證，再無開裂現象。本研究通過該案例，旨在為發動機罩的設計和驗證提供點思路和方案。

a.從焊點布置上，盡量避免焊點布置在厚鋼板夾持較薄鋼板的邊緣位置；

b.通過CAE的路譜激勵輸入到焊點疲勞耐久仿真分析中，找出有開裂風險的焊點，提前做好應對措施或直接更改設計，避免后期出現延誤開發周期的設計變更。