汽車車身縱梁懸置安裝點鈑金開裂問題優化研究

高潔，黃玉珍, 王金橋

(奇瑞新能源汽車有限公司研究院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

乘用車汽車前縱梁為構成車身框架的主要結構，其主要功能是給發動機、變速箱等提供承載，并在碰撞過程中通過潰縮吸能保持乘員艙完整，為乘員提供安全、可靠的保障。由于發動機、變速箱等零件質量較大，若前縱梁結構強度差，在惡劣工況條件下，縱梁上安裝點容易開裂，會產生安全隱患，所以車身縱梁結構設計得足夠強就顯得尤為重要。文中通過CAE分析前縱梁局部應力情況，尋找到設計結構薄弱點,并通過臺架試驗和實車的方案驗證,解決了前縱梁內板懸置安裝點開裂問題。

1 問題描述

某車型在強化路試里程15 000 km時，縱梁內板懸置安裝點處鈑金出現開裂。試驗繼續進行，裂紋持續擴展，如圖1所示。

2 開裂原因分析

2.1 裂紋特征

經現場查看，縱梁內板懸置安裝點圓形凸臺下半圈根部出現嚴重開裂。經與試車員了解得知，開裂是從懸置安裝點凸臺根部下方產生，隨著路試繼續進行，裂紋逐漸加大并朝附近焊點擴展，如圖1所示。

圖1 某車型縱梁開裂圖示

2.2 開裂形成機制探究

根據試驗車開裂位置特征和發生里程判斷此處為疲勞開裂，開裂沿著凸臺根部逐漸延伸擴大。一般來說，疲勞開裂裂紋先從應力最大、結構強度最弱的位置形成[1-2]；材料選用、板材厚度選擇及結構設計三方面因素均對開裂問題有重要的影響[3]。文中車型懸置安裝點凸臺附近有離合管路安裝孔，該孔減弱了縱梁結構強度；而且懸置安裝點凸臺下方結構有不規則型面變化，導致凸臺處縱梁內板與縱梁加強板之間無焊點連接，如圖2所示。因此認為縱梁內板懸置安裝點處開裂的主要原因為車身結構此處薄弱、存在應力集中導致。

圖2 某車型縱梁結構

對縱梁原結構模擬路試工況進行CAE分析，發現在顛簸+轉向最惡劣的工況下(加載加速度為垂向3g+側向1g)，縱梁內板懸置安裝點處最大應力值為316 MPa,超過材料B250P1屈服強度303.04 MPa，與路試縱梁出現開裂位置一致，如圖3所示。

圖3 某車型縱梁開裂處分析應力情況

3 開裂問題解決措施

根據以上原因分析可知，解決縱梁懸置安裝點開裂問題需更改縱梁薄弱處結構、分散應力避免應力集中。采用了3種方案優化該處鈑金結構，并對縱梁懸置安裝點結構進行了CAE分析。

方案一：在原方案基礎上，縱梁型面不更改，將離合管路安裝孔移離懸置安裝點區域，同時將原懸置前、后支撐板兩個零件合并為一個大懸置支撐板且更改為盒型結構，材料由B250P1更改為HC340/590DP，厚度由1.0 mm更改為1.8 mm。方案二：在方案一的基礎上更改縱梁內板、縱梁內板加強板、懸置支撐板結構，優化懸置安裝點凸臺附近型面，增大這3層鈑金之間的貼合面，分散應力。方案三：在方案二的基礎上更改縱梁內板、縱梁內板加強板、懸置支撐板,將懸置安裝點凸臺向下延伸拉大。具體方案描述見表1。

各種優化方案經過CAE分析，在顛簸+轉向工況下縱梁各零件的應力值見表2。

CAE分析結果對比表明：方案一中縱梁內板的最大應力值316.5 MPa大于其材料屈服強度303.04 MPa，此方案存在風險；方案二和方案三中縱梁內板的最大應力值小于其材料屈服強度303.04 MPa，縱梁內板加強板的最大應力值小于其材料屈服強度382.87 MPa，懸置支撐板最大應力值小于其材料屈服強度430.1 MPa。其中方案二左前縱梁內板原開裂區域的最大應力為198 MPa,為各方案中最小值。綜合考慮決定采用方案二開發軟模件進行臺架試驗及路試進行驗證。

表1 各方案描述

表2 各方案CAE分析結果

4 驗證結果

先通過臺架試驗模擬顛簸+轉向工況，在垂向加載3g加速度、側向加載1g加速度，連續循環模擬路試沖擊。第一輪臺架試驗縱梁為原結構狀態，此試驗目的是尋找臺架試驗和真實路試情況的規律；第二輪臺架試驗縱梁是在原結構上取消離合管路安裝孔狀態，此試驗目的是驗證離合管路安裝孔對開裂問題是否有影響；第三輪臺架試驗縱梁為根據方案二制作的軟模件結構。臺架試驗見圖4。

第一輪臺架試驗縱梁內板在38萬次循環時懸置安裝點凸臺處出現裂紋，可視為臺架試驗38萬次循環等效強化路試1.5×104km的里程；第二輪臺架試驗縱梁內板在53萬次循環時懸置安裝點凸臺處出現裂紋，說明離合管路安裝孔對縱梁開裂有一定貢獻；第三輪臺架試驗縱梁內板直至600萬次循環停止試驗時仍未出現開裂，對比前兩輪臺架試驗說明方案二改善明顯。具體統計見表3。

圖4 臺架試驗

試驗項目是否發生開裂循環次數圖示第一輪臺架試驗(有離合管路安裝孔狀態縱梁)是38萬次第二輪臺架試驗(取消離合管路安裝孔狀態縱梁)是53萬次第三輪臺架試驗(方案二軟模件)否600萬次未開裂

臺架試驗驗證后，按方案二更改縱梁內板、縱梁內板加強板和懸置支撐板硬模后，重新進行強化路試驗證，直至路試結束縱梁內板未出現開裂現象，縱梁內板懸置安裝點處鈑金開裂問題得到徹底解決。

5 結論

(1)通過第一、二輪臺架試驗結果對比可知：縱梁懸置安裝點附近開孔對結構強度有一定削弱，所以結構強度要求高的區域應避免開孔等弱化結構的設計。

(2)通過第二、三輪臺架試驗結果對比可知，懸置安裝點等結構強度要求高的區域盡可能將安裝面區域做大，保證安裝點附近可布置有效焊點，避免在安裝點附近出現臺階面無法焊接等容易造成應力集中的情況。

(3)通過此次整改引入了車身懸置安裝點強度臺架試驗，并規范了驗證工況，在后續車型開發過程中可以作為一種快速有效的方法來驗證車身結構的強度。

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