论文部分内容阅读
本文利用CAE软件对某轻型商用车车架出现断裂的原因进行了分析，通过CAE软件建立了满足汽车行驶及承载工况的标准模型，并利用这些模型在CAE仿真软件中进行了强度、应力、扭曲和疲劳寿命的分析，为车架的设计和改进提供参考。
车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。所以车架的强度和刚度在车架设计中十分重要，深入了解车架的强度特性是车架结构设计改进的基础。以前对车架的设计主要考虑车架的静强度，考虑车辆行驶中受动载荷时的影响，在车架最大载荷前乘以一个动载荷系数。当今，由于车辆的轻量化设计和降成本的要求越来越高，车架结构强度研究应该更为精细，国内外汽车行业已将CAE分析应用于车架强度计算。因为CAE分析数据运算速度快，分析成本低，计算精度高，模型修改比较方便，使车架的动态分析成为了可能。
本文主要介绍了如何采用CAE仿真分析的方法对某型商用车架断裂强度进行分析及改进的过程。
一、对故障信息进行采集分析
截止到开始进行分析时，根据提供的车辆事故调查表，进行了分类统计分析，出现车架严重开裂的故障车共8台，其中两驱1台，四驱7台，其中有6台使用路况较为恶劣，有2台存在超载现象。按使用地区来分，有4台在云南，1台在贵州、1台在新疆、1台在青海，四地故障车辆总和占总故障车辆的87.5%。
从以上分析可以看出故障车辆主要出现在西部及西南地区，且使用路况较恶劣，有超载现象。经统计，车架断裂部位主要集中在第一横梁以及纵梁，有6台次车在第一横梁部位出现开裂，7台次车发生纵梁断裂，如图1～图3所示。
通过以上信息分析，此次改进方案主要针对四驱车型，通用部分同时考虑两驱车型，包括第一横梁、纵梁以及第六横梁。
二、故障分析
1.模型描述
传统的车架有限元模型分析一般采用梁单元，该方法简单方便，但是有些情况下精度不高，如在货箱上采用梁单元则过度简化。采用CAE对车架模型进行分析既有较高的精度，计算及结构又不复杂。
根据相关工况及载荷对车架建立相关CAE模型，如图4
2.受力分析
本次分析针对车型进行满载及超载，分别计算五种工况，如图6～图9所示。
◎弯曲工况：四轮z方向全约束。
◎弯扭工况：左前轮抬高200mm、左前轮悬空、左后轮抬高200mm、左后轮悬空。
◎货箱载荷状态：设计装载质量475 k g，超载质量200kg。
不同工况的CAE仿真应力计算分析如下。
（1）经过对破坏图片与计算应力云图对比发现，实车破坏部位发生在应力云图的高亮部位。而从第一横梁的应力云图来看，第一横梁局部应力值存在偏高的现象，弯曲工况应力较小，弯扭工况应力较高。
（2）弯曲工况后轮上方车架部位应力较高，同一个轮抬高与悬空两种工况应力分布相似，悬空工况应力值较抬高工况高。左前轮抬高（悬空）工况纵梁存在几个部位应力较高；左后轮抬高（悬空）工况中横梁各支架应力较高。
（3）第一横梁破坏在反馈信息中占到近50%的比例，在弯扭的四种工况中该部位应力均高，同时后板簧前支架根部位置处应力在四种工况中均较高。
（4）左前轮抬高（悬空）工况中扭杆支座与第四横梁之间纵梁应力较高，同时第六横梁两侧截面发生变化的地方应力也较高。
3.故障原因
由市场反馈的图片可以看出破坏部位多发生在结构开孔处及断续焊接断点附近，计算结果显示这些部位应力也较高，故而在超载及路况恶劣的情况下发生破坏。通过以上应力分析可得，造成以上三处故障的根本原因如下。
（1）第一横梁零件材料强度偏弱，第一横梁局部应力值存在偏高的现象。
（2）纵梁存在多余孔位。
（3）通体断续焊的焊接工艺在焊缝端头部位产生应力集中。
（4）第六横梁在两侧结构截面小，各横梁根部在弯扭工况应力高，应力最大点出现在零件的边缘部位，且应力值偏高。
4.改进建议
根据以上故障原因分析，对车架设计提出如下改进建议，如图10～图12所示。
（1）第一横梁材料由20#钢更改为B510L。
（2）在横向稳定杆支架内增加一U型加强板，对横向稳定杆部位进行加强，设计新的第一横梁加强板。
（3）取消纵梁多余孔位并在主工艺孔处增加加强垫片。
（4）焊接工艺方面，由于断续焊的焊接方式会在焊缝端头部位出现应力集中现象，易造成开裂破坏，因此，将纵梁焊接工艺由断续焊更改为分段满焊。
（5）第六横梁翻边加宽，原第六横梁根部翻边加宽，增加与第六横梁连接板的搭接长度以增加焊接区域，通过结构改进，可以明显降低第六横梁应力值，并转移应力集中区。材料由SAPH400更改为SAPH440。
5.方案验证分析
根据建议更改方案，对方案进行强度和应力分析验证。
（1）强度验证分析（表1和表2）。
结论一：六横梁改进后最大应力出现在六横梁连接板上，括号中为六横梁改进方案应力。
结论二：六横梁改进后最大主应力出现在六横梁连接板上，括号中为六横梁改进方案应力。
（2）疲劳寿命验证分析（图13～图15）。
通过疲劳寿命对比分析可得表3。
验证结果如下。
（1）第一横梁由原来的20#钢更换为屈服极限更高的材料B510L，增加加强板改进后应力下降较明显，第一横梁的改进措施符合设计要求。
（2）在第三、四横梁前和减震器附近，纵梁破坏多发生在断续焊端点且附近有孔的部位。对这些部位的改进采用局部满焊和去除腹面上离上、下翼面较近的孔，经计算满焊能消除断续焊端点应力集中，去孔后孔边缘的应力集中也能消除。对于外板上用于工装定位不能去掉的大孔，采用孔周围贴板能一定程度降低应力，纵梁的改进措施符合设计要求。
（3）第六横梁改进后，六横梁本身应力下降，局部最高应力转移到六横梁连接板上，第六横梁的改进措施符合设计要求。
三、结语
在本次故障分析改进过程中，更加认识到CAE仿真分析在产品设计过程中的重要性，仿真分析能有针对性地对产品设计缺陷提出改进，避免由于设计缺陷问题对产品的市场有影响。对通过本次CAE分析改进后的车型进行道路可靠性试验及近一年市场跟踪，未再发现有相同质量问题出现。因此，在今后的设计过程中需要更加重视CAE仿真验证等工作，虚拟设计过程的控制可以优化设计目标，有效减少实际验证试验的频率和强度，节约开发时间，降低开发成本以及产品故障率。
车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。所以车架的强度和刚度在车架设计中十分重要，深入了解车架的强度特性是车架结构设计改进的基础。以前对车架的设计主要考虑车架的静强度，考虑车辆行驶中受动载荷时的影响，在车架最大载荷前乘以一个动载荷系数。当今，由于车辆的轻量化设计和降成本的要求越来越高，车架结构强度研究应该更为精细，国内外汽车行业已将CAE分析应用于车架强度计算。因为CAE分析数据运算速度快，分析成本低，计算精度高，模型修改比较方便，使车架的动态分析成为了可能。
本文主要介绍了如何采用CAE仿真分析的方法对某型商用车架断裂强度进行分析及改进的过程。
一、对故障信息进行采集分析
截止到开始进行分析时，根据提供的车辆事故调查表，进行了分类统计分析，出现车架严重开裂的故障车共8台，其中两驱1台，四驱7台，其中有6台使用路况较为恶劣，有2台存在超载现象。按使用地区来分，有4台在云南，1台在贵州、1台在新疆、1台在青海，四地故障车辆总和占总故障车辆的87.5%。
从以上分析可以看出故障车辆主要出现在西部及西南地区，且使用路况较恶劣，有超载现象。经统计，车架断裂部位主要集中在第一横梁以及纵梁，有6台次车在第一横梁部位出现开裂，7台次车发生纵梁断裂，如图1～图3所示。
通过以上信息分析，此次改进方案主要针对四驱车型，通用部分同时考虑两驱车型，包括第一横梁、纵梁以及第六横梁。
二、故障分析
1.模型描述
传统的车架有限元模型分析一般采用梁单元，该方法简单方便，但是有些情况下精度不高，如在货箱上采用梁单元则过度简化。采用CAE对车架模型进行分析既有较高的精度，计算及结构又不复杂。
根据相关工况及载荷对车架建立相关CAE模型，如图4
2.受力分析
本次分析针对车型进行满载及超载，分别计算五种工况，如图6～图9所示。
◎弯曲工况：四轮z方向全约束。
◎弯扭工况：左前轮抬高200mm、左前轮悬空、左后轮抬高200mm、左后轮悬空。
◎货箱载荷状态：设计装载质量475 k g，超载质量200kg。
不同工况的CAE仿真应力计算分析如下。
（1）经过对破坏图片与计算应力云图对比发现，实车破坏部位发生在应力云图的高亮部位。而从第一横梁的应力云图来看，第一横梁局部应力值存在偏高的现象，弯曲工况应力较小，弯扭工况应力较高。
（2）弯曲工况后轮上方车架部位应力较高，同一个轮抬高与悬空两种工况应力分布相似，悬空工况应力值较抬高工况高。左前轮抬高（悬空）工况纵梁存在几个部位应力较高；左后轮抬高（悬空）工况中横梁各支架应力较高。
（3）第一横梁破坏在反馈信息中占到近50%的比例，在弯扭的四种工况中该部位应力均高，同时后板簧前支架根部位置处应力在四种工况中均较高。
（4）左前轮抬高（悬空）工况中扭杆支座与第四横梁之间纵梁应力较高，同时第六横梁两侧截面发生变化的地方应力也较高。
3.故障原因
由市场反馈的图片可以看出破坏部位多发生在结构开孔处及断续焊接断点附近，计算结果显示这些部位应力也较高，故而在超载及路况恶劣的情况下发生破坏。通过以上应力分析可得，造成以上三处故障的根本原因如下。
（1）第一横梁零件材料强度偏弱，第一横梁局部应力值存在偏高的现象。
（2）纵梁存在多余孔位。
（3）通体断续焊的焊接工艺在焊缝端头部位产生应力集中。
（4）第六横梁在两侧结构截面小，各横梁根部在弯扭工况应力高，应力最大点出现在零件的边缘部位，且应力值偏高。
4.改进建议
根据以上故障原因分析，对车架设计提出如下改进建议，如图10～图12所示。
（1）第一横梁材料由20#钢更改为B510L。
（2）在横向稳定杆支架内增加一U型加强板，对横向稳定杆部位进行加强，设计新的第一横梁加强板。
（3）取消纵梁多余孔位并在主工艺孔处增加加强垫片。
（4）焊接工艺方面，由于断续焊的焊接方式会在焊缝端头部位出现应力集中现象，易造成开裂破坏，因此，将纵梁焊接工艺由断续焊更改为分段满焊。
（5）第六横梁翻边加宽，原第六横梁根部翻边加宽，增加与第六横梁连接板的搭接长度以增加焊接区域，通过结构改进，可以明显降低第六横梁应力值，并转移应力集中区。材料由SAPH400更改为SAPH440。
5.方案验证分析
根据建议更改方案，对方案进行强度和应力分析验证。
（1）强度验证分析（表1和表2）。
结论一：六横梁改进后最大应力出现在六横梁连接板上，括号中为六横梁改进方案应力。
结论二：六横梁改进后最大主应力出现在六横梁连接板上，括号中为六横梁改进方案应力。
（2）疲劳寿命验证分析（图13～图15）。
通过疲劳寿命对比分析可得表3。
验证结果如下。
（1）第一横梁由原来的20#钢更换为屈服极限更高的材料B510L，增加加强板改进后应力下降较明显，第一横梁的改进措施符合设计要求。
（2）在第三、四横梁前和减震器附近，纵梁破坏多发生在断续焊端点且附近有孔的部位。对这些部位的改进采用局部满焊和去除腹面上离上、下翼面较近的孔，经计算满焊能消除断续焊端点应力集中，去孔后孔边缘的应力集中也能消除。对于外板上用于工装定位不能去掉的大孔，采用孔周围贴板能一定程度降低应力，纵梁的改进措施符合设计要求。
（3）第六横梁改进后，六横梁本身应力下降，局部最高应力转移到六横梁连接板上，第六横梁的改进措施符合设计要求。
三、结语
在本次故障分析改进过程中，更加认识到CAE仿真分析在产品设计过程中的重要性，仿真分析能有针对性地对产品设计缺陷提出改进，避免由于设计缺陷问题对产品的市场有影响。对通过本次CAE分析改进后的车型进行道路可靠性试验及近一年市场跟踪，未再发现有相同质量问题出现。因此，在今后的设计过程中需要更加重视CAE仿真验证等工作，虚拟设计过程的控制可以优化设计目标，有效减少实际验证试验的频率和强度，节约开发时间，降低开发成本以及产品故障率。