簡易臺架和道路試驗相結合的車身鈑金開裂優化方法研究

摘要：主要介紹了一種結合Miner原理，使用簡易臺架試驗對車身鈑金耐久開裂問題整改方案的有效性進行快速驗證，并結合道路耐久試驗完成驗證閉環的優化方法。首先，對某車型在強化耐久試驗中出現的車身鈑金開裂問題進行復現，確認鈑金開裂的原因并制定整改方案；然后通過CAE仿真分析設計一種簡易臺架試驗，在使用該臺架試驗準確復現鈑金開裂問題后，即可對整改方案的有效性進行快速驗證；最后經過實車強化耐久試驗驗證，整改后的鈑金未出現開裂問題，證明了該方法的準確性和有效性。

關鍵詞：簡易臺架試驗 Miner原理 鈑金耐久開裂 實車耐久驗證

中圖分類號：U467 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240291

Research on Optimization Method for Vehicle Body Sheet Metal Cracking by Combining Simple Bench Test and Road Durability Test

Wang Kunbo， Gou Ligang， Zhang Debin， Wang Lei， Zheng Qi

（Geely Automobile Research Institute Ningbo Co.， Ltd.， Ningbo 315000）

Abstract： This article mainly introduces a fast verification of the effectiveness of the optimization scheme for durability cracking of body sheet metal using a simple bench test combined with Miner principle， and then verifies it through vehicle durability testing to form a close-loop optimization method. First， reproduce the problem of body sheet metal cracking in vehicle enhanced durability testing using CAE analysis method. Then， confirm the cause of body sheet metal durability cracking and make optimization scheme. Next， through CAE simulation analysis， design a simple bench test. Through this simple bench test， it is necessary to accurately reproduce the durability cracking problem of body sheet metal， then quickly verify the effectiveness of the optimization scheme. Finally， after verification through vehicle durability testing， the body sheet metal with added optimization scheme did not show any durability cracking problem， which proves the accuracy and effectiveness of this method.

Key words： Simple bench tests， Miner principle， Body sheet metal durable cracking， Vehicle durability test verification

1 前言

在汽車的設計開發過程中，車輛的整車道路耐久性能作為一項關鍵設計指標有著嚴格的要求，并且在車輛的設計階段就運用多種計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真分析方法如靜強度分析方法、準靜態疲勞分析方法、模態瞬態疲勞分析方法等對車輛的耐久性能進行仿真分析，以便在車輛的設計階段能夠較為全面地對耐久性能進行評估，并盡可能地消除耐久風險點。

CAE技術是一種利用數學近似方法對真實物理系統進行模擬的數值分析方法，其模型的設置、邊界條件等均基于理想化的設計狀態，不能與車輛在實際強化耐久試驗中的狀態完全吻合。因此，在實際的強化耐久試驗中，仍可能有耐久開裂的問題出現。

耐久開裂問題不僅直接影響開發進度，更會增加一輪甚至多輪的強化耐久試驗以驗證整改方案的有效性，從而產生大量的試驗費用。因此，如何快速驗證整改方案的有效性十分重要。

通過設計一種簡易臺架試驗，對車身開裂問題整改方案的有效性進行快速驗證，并結合實車強化耐久試驗，驗證該方法的準確性，以期對實車耐久問題實現快速整改，縮短試驗周期，降低試驗成本。

2 理論方法及仿真分析流程

2.1 線性累積損傷理論

線性疲勞累積損傷理論是指在循環載荷作用下，每一次應力循環對結構造成的損傷是累計疊加的，各應力之間相互獨立且互不相關，當累加的損傷超過1時，認為試件產生疲勞破壞，簡稱為Miner理論[1]。

一個循環造成的損傷為：

D=1/N （1）

式中：D是總的疲勞累計損傷，N為對應于當前載荷水平S的疲勞壽命。

在恒幅載荷下，n個循環造成的損傷為：

D=n/N （2）

在變幅載荷下，n個循環造成的損傷為：

D=[i=1kniNi] "（3）

式中：ni為對應于i級載荷的循環次數，k為變幅載荷的應力水平等級，[Ni]為對應于第i級載荷水平[Si]的疲勞壽命。

試件受到的載荷作用大部分為變幅載荷，受到恒幅載荷作用的情況較少。但是基于Miner理論和式（2）、式（3），不論試件受到外界何種載荷作用，其損傷都是線性累積的，只要當循環累計到一定次數時，D=1，試件就會產生疲勞破壞[1]。

2.2 車身鈑金開裂優化流程

簡易臺架試驗和道路耐久試驗相結合的車身鈑金開裂優化流程如圖1所示。

a.基于MSC.Nastran軟件的模態瞬態疲勞分析方法[2]搭建整車疲勞耐久分析模型，模型應盡可能包含車身、開閉件、座椅和附件等在簧上的結構和質量信息[3]，如圖2所示。

b.基于整車疲勞耐久分析模型，根據車輛出現耐久開裂時的狀態（如密封條失效、緩沖塊失效、安裝螺栓松動等）、考慮耐久開裂位置鈑金的減薄率、開裂位置網格模型細化、模態瞬態分析方法中的阻尼參數等多種影響因素，對整車疲勞耐久分析模型進行調整，使用Ncode軟件計算鈑金疲勞壽命[4]，復現疲勞耐久開裂問題。

c.基于復現疲勞耐久開裂問題的分析模型，制定整改優化方案。在考慮CAE仿真分析與生產制造、實際試驗之間的誤差，以及僅通過一輪整改試驗即解決疲勞耐久開裂問題等因素后，要求整改優化方案的疲勞耐久分析壽命至少得到10倍提高。

d.基于MSC.Nastran軟件，使用CAE仿真分析設計一種簡易臺架工況[5]。要求該臺架工況具有邊界簡單、易于試驗加載等特點；同時要求在使用該簡易臺架工況復現實車疲勞耐久開裂問題的同時，不會導致試驗的零部件出現其他開裂問題，避免對試驗結果帶來不確定性。

針對簡易臺架工況，還要求其試驗的載荷值適中。在使用較大的載荷值時，試驗的零部件會在很短的時間內出現開裂失效，這種短時間內的開裂失效屬于應變疲勞，與實車在強化耐久試驗中出現的應力疲勞存在一定差異，會給整改優化方案的驗證帶來較大的影響。

e.基于設計的簡易臺架工況，使用Ncode軟件計算整改優化方案的疲勞耐久壽命，確保整改優化方案在簡易臺架工況中同樣具有提升效果。

f.制作簡易臺架試驗的工裝，并準備基礎狀態的樣件。對于樣件數量，在耐久試驗中出現開裂的零部件樣件數量至少大于3個，以便有足夠的樣件對臺架試驗進行調整，同時也可以獲取更多基礎狀態樣件在臺架試驗中的結果數據，提高試驗的準確性。

在簡易臺架搭建完成后，即可使用實際臺架試驗復現鈑金耐久開裂問題。臺架試驗的加載頻率不宜過高，一般以2～3次/s為宜，如此單日可實現約20萬次循環試驗。

如果未能準確復現耐久開裂問題，需要對簡易臺架試驗和CAE設計工況邊界條件的一致性進行檢查，確認簡易臺架試驗失敗的原因并對臺架試驗進行調整，然后重新進行簡易臺架試驗，直到能準確復現鈑金開裂問題。

在搭建簡易臺架試驗，并使用基礎狀態樣件復現開裂問題的同時，可以同步開展整改方案樣件的試制工作，縮短整改周期。同時，需要對試制后的整改方案樣件進行拆解，檢查整改方案的實際裝車狀態、連接效果等，確保整改方案樣件達到設計要求。

g.使用準確復現鈑金耐久開裂問題的簡易臺架，對整改后的試制樣件進行試驗，驗證整改方案的有效性。如整改方案無效，需要對試驗失敗后的整改樣件進行拆解，確認整改樣件失效的原因，并對整改方案進行優化調整。

h.如驗證整改方案有效，則正式裝車進行整車強化道路耐久規范測試，對整改方案的有效性進行道路驗證。

3 車身鈑金開裂優化案例

3.1 車身鈑金開裂問題分析和復現

某車型在整車強化道路耐久規范測試運行到70%時，日常檢查發現行李箱蓋內板局部位置的兩側鈑金均出現了開裂，如圖3、圖4所示。

按照上述分析流程，搭建行李箱蓋的疲勞耐久分析模型，并對行李箱蓋內板開裂的位置進行CAE仿真分析復現。經模型調整后復現的鈑金疲勞耐久壽命結果如圖5所示。

行李箱蓋內板鈑金疲勞壽命結果顯示，內板開裂位置的鈑金兩側壽命為1.85和1.86，小于CAE分析的目標值2，不滿足要求；行李箱蓋其他區域的鈑金壽命都大于2，滿足要求且與試驗結果基本吻合。結果證明了復現開裂問題的整車疲勞耐久分析模型的準確性，能夠支持后續的整改優化方案分析。

對行李箱蓋內板鈑金開裂位置的結構進行分析，發現開裂位置正好位于內板結構突變的區域，該位置內板因為安裝貫穿式尾燈截面急劇收縮，導致開裂位置內板產生剛度突變。而本行李箱蓋的整體構型屬于傳統的“L”型結構，內板開裂位置正好靠近“L”型結構過渡區域，受力較為集中。行李箱蓋整體結構如圖6所示。

另外，基于復現內板鈑金開裂的疲勞分析模型邊界條件，計算的行李箱蓋一階模態頻率只有16.26 Hz，與路面的激勵頻率重合；而且一階模態的振型為垂向上下振動，應變能主要集中在內板開裂位置。行李箱蓋一階模態如圖7所示。

綜上，行李箱蓋內板鈑金出現開裂的位置是行李箱蓋結構最薄弱的區域，再加上和路面激勵產生共振，導致內板鈑金在強化耐久試驗中出現開裂。

3.2 優化方案制定與簡易臺架試驗設計

在查明了內板鈑金開裂的原因后，通過對行李箱蓋內板開裂位置的結構、空間進行分析，決定在內板開裂位置增加一個結構加強塊（Composite Body Solutions，CBS），對內板開裂位置的剛度進行局部加強。增加CBS結構加強塊的優化方案如圖8所示。

基于復現鈑金疲勞開裂的模態瞬態疲勞分析模型，對增加CBS后的行李箱蓋內板進行疲勞耐久分析，發現CBS結構加強塊對內板開裂位置的加強效果十分明顯，其結果統計如表1所示。

在確定整改優化方案后，由于項目周期緊張，一旦整改方案未達到預期效果，將嚴重影響項目節點。在對行李箱蓋一階模態的振型、開裂的位置和原因進行詳細分析后，決定設計簡易臺架試驗，驗證整改優化方案的實際效果。基于約束簡單、加載便利等因素考慮，設計的臺架試驗如圖9所示。

基于設計的簡易臺架試驗，使用Ncode軟件計算增加CBS的行李箱蓋內板鈑金的疲勞耐久壽命，根據分析結果，鈑金壽命至少提高12.5倍，證明整改優化方案在簡易臺架工況中同樣具有較好的提升效果。其結果統計如表2所示。

3.3 鈑金開裂問題復現

如圖10所示，在搭建好簡易臺架后，開始第1次基礎狀態的行李箱蓋內板鈑金開裂復現試驗。經過長達78萬次的循環耐久試驗，行李箱蓋內板鈑金在強化耐久試驗中開裂的位置一直未出現開裂，但行李箱蓋在鎖點位置安裝工裝的內板和內板加強板出現開裂，導致凸焊螺母脫出，試驗無法進行。鎖點位置開裂狀態如圖11所示。

在第1次簡易臺架試驗中，試驗結果與CAE仿真分析結果存在較大誤差。在對試驗臺架的邊界和CAE仿真的邊界進行對比后發現：CAE仿真分析時鎖點位置受到載荷作用后可以自由變形，鎖點位置不存在任何約束；但在簡易臺架中，鎖點位置的工裝雖然使用球鉸連接，但是后端的試驗載荷輸出油缸只允許單向平動，這樣鎖點的變形就會受到限制，導致試驗結果與CAE的仿真分析結果出現較大誤差。簡易臺架第1次試驗時行李箱蓋加載點與輸出油缸之間的連接關系如圖12所示。

在查明第1次簡易臺架試驗失敗的原因后，對簡易臺架進行改進，在試驗載荷輸出油缸和鎖點工裝連接球鉸之間增加1個球鉸，使鎖點位置可以自由變形。增加球鉸后的工裝連接關系如圖13所示。

簡易臺架試驗工裝調整后，開始第2次基礎狀態的行李箱蓋內板鈑金開裂復現試驗。行李箱蓋內板右側在試驗進行到3.5萬次時，成功復現開裂問題，與強化耐久試驗吻合；行李箱蓋內板左側在試驗進行到4.18萬次時，內板其他位置出現開裂（開裂位置與實車耐久開裂區域較近），與強化耐久試驗不吻合。第2次簡易臺架試驗開裂位置如圖14所示。

在發現行李箱蓋內板左側開裂問題不久后，行李箱蓋在鎖點位置安裝工裝的內板和內板加強板出現開裂，導致凸焊螺母再次脫出，試驗無法繼續進行。鎖點位置再次開裂狀態如圖15所示。

在第2次簡易臺架試驗結束后，為了解決凸焊螺母脫出問題，將鎖點位置的試驗工裝安裝螺栓數量在試驗中由2個增加至4個，然后繼續開展第3次基礎狀態的行李箱蓋內板鈑金開裂復現試驗。行李箱蓋內板右側在試驗進行到4.36萬次時，成功復現開裂問題，左側在試驗進行到7.84萬次時，成功復現開裂問題，與強化耐久試驗吻合。第3次簡易臺架試驗開裂位置如圖16所示。

3.4 優化方案有效性驗證

在使用簡易臺架試驗成功復現行李箱蓋內板的開裂問題后，使用增加CBS的行李箱蓋進行簡易臺架試驗（試驗前未對改制后的整改方案樣件進行拆解，未能確認整改方案樣件是否達到設計要求）。行李箱蓋內板右側在試驗進行到3.3萬次時出現開裂；行李箱蓋內板左側在試驗進行到8.88萬次時出現開裂。第4次簡易臺架試驗開裂位置如圖17所示。

根據試驗結果，增加CBS的行李箱蓋內板鈑金疲勞耐久壽命基本沒有提高，與CAE仿真分析的結果存在很大誤差。故對試驗后的行李箱蓋進行拆解，發現增加的CBS結構加強塊與行李箱蓋鈑金之間的實際連接效果非常弱，存在CBS裝配錯位導致CBS結構加強塊和鈑金未貼合、CBS發泡膠烘烤后外溢、CBS結構加強塊與鈑金粘貼區域小等問題，與設計狀態存在很大的差距。增加CBS的行李箱蓋拆解結果如圖18所示。

根據對增加CBS的行李箱蓋進行實際拆解的結果，對CBS的結構進行優化，在CBS的裝配定位、CBS和鈑金之間的結構限位、CBS關鍵區域發泡膠面積等多處進行了改進。CBS優化說明如圖19所示。

使用改進后的CBS再次制作樣件，在試驗前對增加改進后CBS的行李箱蓋進行拆解檢查，發現CBS發泡較好，與行李箱蓋鈑金之間的貼合度較好，與設計狀態基本吻合。改進后CBS的拆解結果如圖20所示。

在拆解確認增加改進后CBS的行李箱蓋滿足設計要求后，再次在簡易臺架上進行試驗，經過長達60萬次的循環耐久試驗，行李箱蓋內板鈑金未發現任何開裂問題，試驗停止。

對簡易臺架試驗的所有試驗結果進行匯總，統計如表3所示。

如表3所示，增加改進后CBS的行李箱蓋內板鈑金壽命至少提高了7.6倍，由于行李箱蓋內板發現開裂問題時已完成強化道路耐久規范測試的70%，評估認為增加改進后CBS的行李箱蓋內板鈑金可以滿足整車強化耐久試驗的目標。

將增加改進后CBS的行李箱蓋裝車，進行整車強化道路耐久規范測試，試驗結束后，經檢查行李箱蓋內板鈑金未出現開裂，行李箱蓋其他位置亦未出現鈑金或焊點開裂問題。

4 結束語

本文通過設計一種簡易臺架試驗，對車輛開裂問題整改方案有效性進行快速驗證，著重介紹了臺架試驗結果異常、整改方案結果異常的原因和改進措施。

在上述實際案例中，首先對鈑金耐久開裂問題進行復現，然后使用簡易臺架試驗對整改優化方案的有效性進行快速驗證，最后結合實車強化耐久試驗，完成試驗流程閉環，證明了本方法的有效性和準確性。基于本次實際案例，探索了后續實車耐久試驗中出現類似開裂情況的整改流程，從而在產品的實車驗證階段實現對實車耐久問題的快速整改，縮短了項目試驗周期，降低項目試驗成本。

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