某型SUV后扭梁開裂分析與優化

徐昊地

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

后扭梁式后懸架是轎車后懸架的一種重要形式，在經濟型轎車中得到廣泛的應用。后扭梁懸架（半獨立懸架）操穩性能較好、節省布置空間、造價較低。但舒適性不如獨立懸架，且容易出現開裂等強度問題[1]。日系轎車中，卡羅拉和威馳等都是采用扭梁作為后懸架，其憑借成熟的結構設計和高超的金屬工藝成為后扭梁設計的標桿。國內后扭梁的結構設計幾乎應用了當前可量產的最好鋼材。文章采用抗拉強度為510 MPa的鋼材作為承擔扭梁扭轉變形的橫梁結構。好的鋼材不僅要有較高的抗拉極限；較一致的內部結構（不容易產生缺陷）；較好的加工、成型及焊接等性能；同時，制造的工藝也比較重要，這關系到表面粗糙度、焊縫熔深及焊縫一致性等，這些都對扭梁設計的成敗起到關鍵作用。文章闡述了扭梁某處結構缺陷的改進過程。

1 開裂問題分析

1.1 問題描述

某型SUV后扭梁在路試試驗中出現彈簧托盤與橫梁連接處開裂的現象（此位置之后論述簡稱小舌頭），且同側的彈簧托盤與橫梁縱向搭接臂的焊縫底部也出現開裂（此位置之后論述簡稱鵝脖子）。具體開裂位置有限元模型，如圖1所示，扭梁實際開裂的圖片，如圖2和圖3所示。

圖1 某型SUV后扭梁有限元模型和開裂處標示

圖2 某型SUV后扭梁小舌頭處開裂照片

圖3 某型SUV后扭梁鵝脖子處開裂照片

1.2 優化思路

利用有限元法對離散化的有限元模型進行加載來模擬扭梁在實際臺架試驗或實際路試狀態下的受力狀況，分析其剛度和強度（應力、損傷等），再結合壞路試驗的情況，利用剛強度指標對扭梁進行結構優化，并用優化的模型指導制造樣件，進行路試驗證并反饋結果，從而最終獲得合格的扭梁設計方案。

1.3 優化方法選擇

1.3.1 道路試驗

對于扭梁來說，驗證扭梁的可靠耐久性，一般是把扭梁安裝在試驗車上進行道路試驗。最終唯一的考核標準就是其能夠完成完整的道路試驗規范所規定的試驗里程。道路試驗分為高速公路試驗、山路試驗及強化壞路試驗三部分[2]。其中對扭梁損傷最大的就是強化壞路試驗。強化壞路試驗選擇在北京通縣試驗場進行。

試驗車跑環形壞路，一個環形為一個循環周期，其中包括：扭曲路乙、石塊路丙、石塊路乙、卵石路乙、砂石路、搓板路丙、長波路及大長波路等壞路工況。按照試驗標準跑完相應的循環數扭梁不發生開裂，即為合格。

在這些壞路工況中，扭梁的各個硬點要承受各種不同方向和大小的載荷，表現出各種不同的姿態，大體上有扭轉姿態、上跳姿態、各向沖擊姿態及混合姿態。扭梁在這些姿態中，各硬點瞬時受到的載荷均不相同。

1.3.2 仿真模擬

為了模擬扭梁在各種路況下的應力和損傷情況，有限元仿真分析一般分為兩大方向。

1）模擬各種簡單加載情況，如扭轉、彎曲及側向加載等，這種方法建模時的邊界條件選取相對簡單，且在扭梁研發前期可以很容易地跟臺架試驗相對應（試驗室也容易用作動器加載這種工況），對扭梁性能的選擇也有參考作用，因此適用于研發前期。但是這種方法不能模擬路試中較為復雜的工況，一般無法找到開裂原因。

2）模擬多向加載情況，即模擬實際路試邊界條件，在這個方向上最貼近試驗載荷狀態的方法就是用路譜導入疲勞軟件計算疲勞損傷，因為實際路譜載荷（用ADAMS把軸頭6分力數據處理成扭梁各個硬點的時域力[3]）是和時間相關的變化力，因此不能用一般隱式求解有限元軟件計算疲勞損傷。未采用此方法是因為當時尚不具備此項能力。在多向加載的情況下，另一種方法是匯總工況法——用經驗匯總出導致車輛損壞的常用6種工況和濫用4種工況。其中常用6種工況可以理解為用戶日常使用中對整車強度考驗較大的6個極限時刻（如快速轉向時、急剎車時及滿載過凸臺時受垂向沖擊等），而濫用4種工況則是汽車在極端載荷下受力狀態，濫用工況有側撞馬路牙、過坑制動及前后撞擊等[4]。上述匯總工況方法的優點是計算速度快，對于改型的結果反饋迅速，但由于是概括性工況，對實際路況的還原程度不如疲勞運算。所以，在優化方案確定后，還是需要用路譜疲勞計算來驗證其可靠耐久性[5]。

文章選用多向加載下的第2種方法——匯總工況法。

1.4 優化過程簡介

有限元模型采用5 mm殼單元建模。整個模型運用慣性釋放法分析，常用靜力分析都是針對靜定或超靜定結構，即模型都是處于全約束或者過約束狀態，在整個加載過程中遵循小位移理論。而慣性釋放法可以模擬動態狀態，即模型可以處于欠約束狀態。慣性釋放法會額外施加慣性力，慣性力的大小為物體的加速度乘以質量，方向與加速度方向相反。這樣物體還是處于靜平衡狀態，可以用隱式靜力學軟件模擬動態工況。

載荷采用在ADAMS中給整車系統施加對應加速度，并提取出扭梁相關硬點的受力狀態[6]。經過多輪驗證，最終從常用6種工況中篩選出加速度為1 g的轉向工況和加速度為3 g的顛簸工況作為主要考核標準，轉向工況權重更大。圖4～圖6分別示出加速度為3 g顛簸和1 g轉向工況下的邊界條件（力、力矩加載圖）及變形圖。

圖4 某型SUV后扭梁顛簸工況邊界條件仿真圖（加速度為3 g）

圖5 某型SUV后扭梁轉向工況邊界條件仿真圖（加速度為1 g）

圖6 某型SUV后扭梁顛簸和轉向工況變形仿真圖

由于小舌頭和鵝脖子2處開裂點距離較近，在對扭梁的應力分析中，首先要確定小舌頭和鵝脖子2處開裂是否有因果關系，是不是一處開裂導致另一處開裂，也就是說：哪一處是原始開裂點。

由于試驗記錄未給出明確的2處開裂時間順序，因此嘗試用CAE分析模擬開裂過程。通過對顛簸和轉彎工況的應力分析，采取先通過有限元模擬的3種方案：1）相同工況下小舌頭和鵝脖子哪處應力更大；2）小舌頭失效觀察鵝脖子處應力增幅；3）鵝脖子失效觀察小舌頭處應力增幅。其本質思想就是物理試驗中的控制變量法。

通過有限元分析結果對比并結合試驗現象（試驗失效的扭梁里鵝脖子開裂數量大于小舌頭，且鵝脖子和小舌頭幾乎處于同一側開裂），得出結論：鵝脖子先開裂，小舌頭次于鵝脖子開裂，但是并不一定是從屬關系。最終決定后續優化方案的強度分析以2處應力都降低為基礎，且優先降低鵝脖子處的應力。

2 優化方案與驗證

經過多輪優化，篩選出應力降低最明顯的方案（某些方案更符合設計美學，但是已經處于樣車路試階段，沒有足夠的資源和時間進行探索），得出最終優化方案：鵝脖子處加L型加強板+小舌頭斜上延長10 mm，如圖7所示。

圖7 某型SUV后扭梁優化前后模型局部對比

加L型加強板會大幅降低鵝脖子處的應力，而且對小舌頭處傳遞的力也有分擔作用。而小舌頭斜向上延長10 mm是在參考其他車型的扭梁結構基礎上改進而成，目的是降低彈簧托盤與橫梁之間的連接剛度，從而降低小舌頭處應力。表1示出優化前后開裂部位應力對比。從表1可以看出，在關鍵轉向工況下，鵝脖子應力從195.6 MPa降低到135.7 MPa，降低近30%。

表1 某型SUV后扭梁改進前后方案應力對比 MPa

經過試制，最終將改型后的扭梁安裝在試驗車上進行壞路路試，路試結果表明，扭梁在規定的里程內未出現開裂現象，因此可以進行量產。該方案也證明了優化思路和方法的準確性。圖8示出優化后的扭梁局部照片。

圖8 某型SUV后扭梁改型后照片

3 結論

為了在樣車路試階段緊急修補后扭梁開裂問題，在綜合分析3種有限元仿真方法的基礎上，進行可行性分析和有限元結果對比歸納，最終篩選出帶慣性釋放的1 g轉向和3 g顛簸工況進行強度校核和優化，使關鍵處應力降低了30%以上。對優化出的試件進行試制和試驗，最終扭梁通過了路試試驗考核。在量產前解決了開裂問題。并為今后扭梁設計提供可借鑒的方法。