基于有限元的某輕型載貨汽車駕駛室地板結構開裂分析與改進

王浩

（江淮汽車股份有限公司技術中心）

基于有限元的某輕型載貨汽車駕駛室地板結構開裂分析與改進

王浩

（江淮汽車股份有限公司技術中心）

對某輕型載貨汽車駕駛室進行模態試驗，并在ANSA中建立有限元模型，在hypermesh中進行模態仿真，同時與試驗結果進行對比以驗證模型的有效性。建立了整車有限元模型，在4種工況下對駕駛室地板開裂處進行強度分析，得出與可靠性試驗相同的結論，并提出改進措施。再次進行仿真計算，通過比較結構改進前、后的計算結果可知，地板開裂處的強度明顯提高。

1 背景介紹

某輕型載貨汽車在定遠試驗場進行4萬km可靠性道路試驗中,駕駛室底板右側縱梁上出現一處銹蝕，除去縱梁銹蝕表面發現，駕駛室地板縱橫梁搭接處開裂如圖1所示。在開裂部位均滿足料厚、材質、焊接質量等標準情況下,初步懷疑該搭接處設計不合理，車輛在顛簸路面行駛，駕駛室受力集中，導致此梁搭接處開裂。為了解決開裂問題及驗證初步判斷,首先進行模態試驗,以判斷駕駛室基頻和路面不平度激勵頻率是否相近。同時，以試驗模態來驗證駕駛室有限元模型的有效性，確定車身結構受載狀況,再進行整車結構強度性能分析,重點關注駕駛室地板結構開裂處在各工況下的應力分布,確定地板開裂原因,并提出改進方案,以避免產品設計改進的盲目性。

2 駕駛室模態試驗與仿真分析

2.1 模態試驗方法

駕駛室懸掛點選擇在駕駛室門及門鎖安裝位置；駕駛室采用自由懸掛方式，即用4根橡皮繩將其懸掛在模態試驗專用吊架上，使車身處于自由狀態，整個懸掛系統固有頻率低于2 Hz；激勵點選在駕駛室前、后支撐安裝點，采用2個電動激振器激勵，激振信號采用隨機猝發信號；數據采集方式采用多點全相干激振方法，即設置數據采集為2點激振下的三向傳感器測試。試驗原理如圖2所示。

2.2 試驗模型的建立

測點選擇原則是既能清楚反映整體振動模態，又能避免空間混疊，因此應均勻分布，在重點考察區域可以選擇多處響應點。根據測點位置坐標建立模態測試試驗模型，把駕駛室分成2個部分，共建立131個測試點，試驗模型如圖3所示。運用坡度計和水平角度儀測量各幾何點與傳感器之間的角度關系，將每一個測點的X、Y和Z方向與傳感器的X、Y和Z方向對應。試驗重點關注頻率在100 Hz以下的模態參數，確定信號的分析頻帶寬度為256 Hz；為了降低測試中噪聲的影響，采用平均技術來降低隨機誤差，平均次數為30次。

2.3 駕駛室模態仿真與模態試驗對比

由模態試驗結果可知，1階扭轉頻率（28.4 Hz）和1階彎曲頻率（40.7 Hz）均避開了由路面不平引起的激勵頻率（20 Hz），但1階扭轉頻率（28.4 Hz）和發動機怠速激勵頻率（25 Hz）接近，可能會產生耦合風險。駕駛室模態主要參數及描述如表1所示，1階扭轉模態和1階彎曲模態如圖4和圖5所示。

在ANSA軟件中根據駕駛室數模建立有限元仿真分析模型，鈑金件采用SHELL單元離散，粘膠采用SOLID單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬，點焊采用CWELD單元模擬，最后建成駕駛室白車身有限元模型如圖6所示，整個模型包含268846個單元，其中三角形單元11311個，實體單元1156個，焊點2661個，螺栓403個。

表1 駕駛室模態試驗結果

由hypermesh軟件仿真分析后得出駕駛室前6階模態如表2所示。通過對比仿真和試驗模態的頻率和振型圖發現，仿真和試驗結果誤差在允許范圍內，從而驗證了模型的準確性和有效性。

3 基于整車的地板開裂處強度分析

3.1 整車有限元模型的建立

在ANSA中建立整車有限元模型如圖7所示。由于白車身主要為鈑金件結構，因此主要采用四邊形殼單元離散，粘膠采用SOLID單元模擬，縫焊采用RBE2單元模擬，點焊采用CWELD單元模擬，底盤主要部件（如排氣系統、散熱系統等）采用CONM2單元模擬。整車結構有限元模型共計597485個節點，566483個單元,滿載時總質量約為3.3 t。根據可靠性試驗結果為有限元分析提供4個工況，邊界條件如表3所示。

表2 駕駛室模態仿真結果

表3 整車強度分析邊界工況

3.2 地板開裂處強度分析結果

地板結構開裂處所用B210P1材料特性如表3所示，地板結構在各工況下的強度性能指標如表4所示。各工況下應力分布圖如圖8～圖11所示。

表3 B210P1材料特性

表4 各工況下地板結構強度性能指標

由圖8～圖11的整車強度分析結果可知，地板結構開裂處應力在垂直沖擊工況下最大；在4種工況下開裂處應力均接近材料的許用應力，因此整車強度仿真分析和試驗結果一致，表明分析方法可行、分析結果可靠；地板開裂的原因主要是該連接處結構設計強度不夠,可靠性試驗時產生剛度突變、應力集中。

4 地板開裂處結構改進及對比分析

地板開裂是由于該連接處結構設計強度不夠，因此決定采用措施如下，首先將該部件的厚度由2 mm增加至2.4 mm，再用翻邊來增加強度，并將開裂處結構的過渡弧度變小，如圖12和圖13所示。改進后分析結果如表5及圖14～圖17所示。

表5 改進前、后地板開裂處在各工況下的應力 MPa

由表5和圖14～圖17改進后的強度分析結果可知，改進后各工況下車身地板結構的應力水平均滿足材料的許用應力；改進后各工況下開裂部位的應力水平降低明顯，最高應力僅為95.07 MPa，表明翻邊對剛度突變、應力集中、地板開裂問題的解決效果顯著。

5 試驗驗證

為了分析、評價、驗證連接處改進設計的合理性，對更換樣件的車輛加載到規定的滿載質量，按照山區公路、高速跑道、強化壞路、一般公路、變工況、越野路路線進行道路試驗，經過5萬km的可靠性試驗后，原開裂處并未出現異常，說明問題得以解決。

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（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Analysis and Improvement of A Light Truck Cab Floor Cracking Based on Finite Element

Wang Hao
（Jianghuai Automobile Co.,Ltd Technology Center）

Modal test is carried out to a light truck cab,and finite element model is built in ANSA,modal simulation is made in hypermesh,which are then compared with test results to verify validity of this model.Vehicle finite element model is built,and strength analysis is made to cab floor cracking in four conditions,and the conclusion identical with reliability test is reached,corresponding modification is proposed.Simulative calculation is re-made,and the calculation results are compared with the structure before modification,which shows that the strength at the floor cracking is improved substantially.

Light truck,Cab floor,Finite element,Strength analysis

輕型載貨汽車 駕駛室地板 有限元 強度分析

U463.81

A

1000-3703（2015）08-0006-04