基于CAE分析的輕卡地板可靠性優化和驗證

許少楠，葉燦青，陳鵬飛，李鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CAE分析的輕卡地板可靠性優化和驗證

許少楠，葉燦青，陳鵬飛，李鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

卡車駕駛室地板作為駕駛室承載部件、與駕駛室懸置的連接件，其可靠性至關重要。文章針對可靠性試驗的地板開裂的故障，結合CAE分析方法制定優化方案，通過試驗驗證解決了開裂問題，消除安全隱患。

CAE；有限元分析；可靠性優化；試驗驗證

CLC NO.:U461.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-137-03

引言

試驗場道路可靠性試驗是試驗樣車在試驗場內特定的試驗道路上，按照特定的試驗規范駕駛來重現汽車在整個設計生命周期內的疲勞損傷，該試驗是整車可靠性試驗最重要也是最常用的方法。通過這些道路試驗能夠模擬客戶使用中的最惡劣工況，進而達到考核產品可靠性能的目的，能夠盡可能早的發現潛在設計問題，最大限度的降低工程風險，縮短開發周期，提高汽車開發質量[1]。

商用車白車身是內外飾和部分底盤件的安裝基體，在車輛行駛過程中，承受著驅動、制動和轉彎等各種工況下的慣性力，同時承受路面和發動機等的多方激勵，其性能和可靠性直接關系著乘員乘坐舒適性和安全性，是車輛的關鍵指標之一[2]。本文針對試驗場道路可靠性試驗中發現的駕駛室地板開裂故障，結合CAE方法制定優化方案，最終通過試驗驗證，達成駕駛室可靠性目標，消除安全隱患。

1 道路可靠性試驗評價方法

1.1 可靠性試驗道路構成

完整的可靠性試驗通常包括磨合、高速環道、山路和強化路等過程，其中強化路是驗證駕駛室可靠性的主要部分，本車型的可靠性試驗強化路路面包括：窨井群、瀝青路、減速坎、鐵道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路等。試驗規范如表1所示，道路強化系數為15。

1.2 試驗結果評價

本車型的道路可靠性試驗強化路里程目標為8000km，將強化路道路試驗劃分為四個階段，根據各階段制定不同的試驗要求，具體狀態見表2所示。

2 道路可靠性試驗問題及原因分析

2.1 試驗問題

可靠性試驗車在強化路3262km時反饋白車身開裂故障，白車身示意圖如圖1所示，開裂位置集中在地板前部（圖1圈出位置），具體為地板左側縱梁前梁翻轉機構安裝孔位置發生開裂（圖2），左、右縱梁前梁多處翻邊圓角位置開裂（圖3）。

表1 強化路試驗規范

表2 白車身強化路試驗要求

圖1 白車身示意圖

圖2 左側縱梁前梁翻轉機構安裝孔位置開裂

2.2 故障原因分析

1）對駕駛室地板強度進行CAE分析，重點確認故障位置的應力集中情況。分析工況及載荷見表3。

圖3 左、右縱梁前梁多處翻邊圓角位置開裂

表3 白車身強度分析工況載荷表

故障位置CAE分析結果見表4，縱梁前梁的屈服強度為400MPa，左縱梁前梁安裝點位置在驅動和沖擊工況下都超過了屈服極限；縱梁前梁翻邊位置在單輪懸空工況下應力較大，結構疲勞強度不足導致開裂。

表4 故障位置CAE分析結果

2）翻轉機構安裝點結構如圖4所示，安裝螺母采用Q371B12_1.25，螺母牙數少、支撐面小，與第一層板縱梁加強板的單側搭接寬度為1.8mm，與第二層板縱梁的單側有效搭接寬度僅0.3mm，與第三層板縱梁前梁無有效搭接，間距0.7mm；若考慮實際情況中的焊接偏差，則配合狀態更不理想。此種結構連接效果較差，一方面螺栓拉緊力作用易導致鈑金變形，翻轉機構的安裝扭矩無法提升到使用需求；另一方面導致安裝點受力面積小，應力集中，加之使用過程中各種應力作用，螺栓-螺母連接將逐漸衰減和失效。

圖4 翻轉機構安裝點結構(單位：mm)

3 改進方案及驗證

3.1 改進方案

1）安裝點結構優化：翻轉機構安裝螺母開發專用件，加大支撐面，增加牙數，螺母輪廓尺寸見圖5；螺母改進的同時翻轉機構安裝螺栓也改為大法蘭面螺栓，安裝扭矩可以由原來的75N.m-96N.m提升到140N.m-160N.m，保證翻轉機構和白車身的連接強度和有效性，支撐面加大后也可以緩解安裝點的應力集中。

圖5 專用螺母輪廓尺寸

2）縱梁前梁結構優化：原縱梁前梁翻邊處開裂為應力作用，翻邊兩側長期扭曲變形導致，對縱梁前梁結構進行優化（圖6），增加翻邊自焊形成半封閉的盒狀結構（圖7圈出位置），以提高結構強度；CAE分析結構顯示：結構優化后，左縱梁前梁翻邊開裂位置最大應力由267.8MPa降低為137.7MPa，右縱梁前梁翻邊開裂位置最大應力由459.6MPa降低為254.6Mpa（圖6）。

圖6 縱梁前梁結構進行優化示意圖

圖7 縱梁前梁結構優化后CAE分析應力云圖

3.2 方案驗證

縱梁前梁結構和安裝螺母優化應用到新的試驗車輛之后，重新進行了試驗場道路可靠性驗證，車輛經過10000km的強化路驗證，在強化路8772km時發現兩處縱梁焊點開裂，無其他故障反饋，滿足白車身可靠性要求。后期3臺量產車型也進行了試驗場道路可靠性驗證，均達成白車身可靠性驗證目標。

4 結論

輕卡車型的駕駛室翻轉機構多采用單扭桿形式，駕駛室行駛過程中扭桿對駕駛室地板始終有較大的扭矩作用，因此白車身地板前部在長期作用下容易產生疲勞開裂[3]，該問題是輕卡車型可靠性設計的難點之一，提升白車身的疲勞性能通常的方法為增加加強板[4]，此方法必然帶來重量的增加。本文結合CAE分析方法對地板故障原因進行排查，并且制定優化方案，在幾乎不增加重量的情況下，最終實現了白車身可靠性目標的達成，保證車輛使用壽命，消除使用安全隱患。

[1] 王繼光,汽車耐久性試驗[J].科技創新論壇,2011(3).

[2] 黃天澤,黃金陵.汽車車身機構與設計[M]. 北京∶機械工業出版社, 1997.

[3] 祝慧等,基于某輕卡白車身強度分析的翻轉機構優化[J].汽車制造業,2014 (5).

[4] 吳迪,某重卡腳踏板區域車身結構的優化設計[J].黑龍江生態工程職業學院學報,2015 28(1).

Reliability Optimization and Test of Light Truck Floor Based on CAE Analysis

Xu Shaonan, Ye Canqing, Chen Pengfei, Li Xin
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Bearing the weight of cab and linking up with cab mounting system，the truck floor’s reliability is extraordinary important. In allusion to floor cracking failure in reliability test;optimization scheme was established by CAE analysis method in this paper;making use of test validation,cracking problem was resolved and potential risk was eliminated.

CAE; finite element method; reliability optimization; test validation

U461.7

A

1671-7988 (2017)13-137-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.048

許少楠（1986-），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，從事商用車白車身開發工作。