商用車前保險杠支架斷裂分析與優(yōu)化

史季青，王淼，高軍委，陸豪，郭寧

（陜西汽車控股集團有限公司技術中心，陜西 西安 710200）

前言

車輛在行駛過程中，承受來自地面不平度、輪胎激勵和來自發(fā)動機的各種激勵，而往往在一些車輛附件的分析驗證過程中，忽視了這些激勵對附件的影響，從而產生各種各樣的振動問題。

1 問題描述

本文分析所遇到的問題即某商用車前保險杠在試驗場進行強化試驗過程中，保險杠支架出現(xiàn)斷裂。具體情況如圖1所示，左圖為初始方案（方案一），紅線為保險杠支架的斷裂位置。后經現(xiàn)場工程師在斷裂位置附近增加邊條（方案二），期望改善斷裂位置的強度，然而經過試驗，紅線位置處再次斷裂。后將問題轉移至分析部門。

2 分析

2.1 靜強度分析

根據設計部門輸入，保險杠支架采用Q235 材料，保險杠與車架也均為鋼材。利用HyperMesh 建立保險杠及支架的有限元模型，截取部分車架模型。其中車架、支架及保險杠本體均為薄板類部件，采用Shell 單元進行網格劃分，螺栓連接采用RBE2+CBAR 單元模擬，有限元分析模型如圖2 所示：

圖1 故障形式

對模型進行車輛常用工況分析，分別為垂直、轉彎、制動，考核保險杠支架靜強度能否滿足材料要求。

圖2 保險杠分析有限元模型

方案一和方案二在垂向沖擊工況下應力最大，應力結果如下圖所示：

方案一強度分析結果（61.8MPa）

圖3 方案二強度分析結果（48.9MPa）

結果顯示，保險杠支架的應力遠小于材料Q235 的屈服極限，初步判斷導致材料失效的原因并非靜強度失效。

2.2 模態(tài)分析

根據靜強度分析結果，導致保險杠局部材料失效的原因可能是由于動載荷的作用引起的破壞。所以對保險杠系統(tǒng)進行模態(tài)分析，了解系統(tǒng)的固有特性。全約束車架端截面，進行模態(tài)分析，結果見圖4、圖5 所示：

方案一與方案二的一階約束模態(tài)分別為 17.6Hz 和20.6Hz，陣型為保險杠的前后扭轉模態(tài)，且模態(tài)應力的分布、斷裂位置及走向趨勢與破壞形式一致。根據實驗人員提供的數(shù)據，樣車驗證的路面多為搓板路和比利時路面，其中搓板路行駛速度為50-60km/h，比利時路為30km/h。根據試驗場的數(shù)據查詢得知，搓板路的波長為750-1000mm，波峰高20-75mm，比利時路為長幾十厘米的方形混凝土隨機鋪砌。根據計算，搓板路對車輛的主要激勵頻率為13.89～22.22Hz，比利時路的主要激勵頻率范圍為16.67～41.67Hz。以上兩方案的一階模態(tài)均包含在路面的激勵頻率內。由此可推斷破壞是由于路面的動載荷激勵引起的。

圖4 方案一模態(tài)分析結果（17.6Hz）

圖5 方案二模態(tài)分析結果（20.6Hz）

故通過改善保險杠系統(tǒng)的抗前后扭轉的剛度，進而提升保險杠系統(tǒng)的一階模態(tài)，使模態(tài)與路面的激勵頻率分離。

圖6 改進后方案

經過多次的方案驗證，確定改進方案如上圖所示。旨在將原結構的加強筋在設計空間內充分發(fā)揮抗扭的作用，改為圖中綠色的肋，厚8mm。經驗證，一階模態(tài)頻率提升至29.8Hz。

圖7 改進后優(yōu)化方案

2.3 掃頻激勵

通過X、Y、Z 三方向加速度激勵對保險杠進行掃頻分析，其中結果如圖8 所示，三方向0-50Hz 內最大應力為121.2 MPa，為Z 方向在47Hz 激勵點，其應力小于材料的屈服強度，滿足設計需求。

圖8 優(yōu)化后掃頻結果

3 結論

通過對保險杠系統(tǒng)局部材料失效原因分析，確定了引起破壞的原因為一階模態(tài)頻率較低，與路面的激勵相耦合而引起的振動所致。故通過改變結構，提高其一階模態(tài)頻率，同時進行掃頻分析，結構的模態(tài)應力滿足設計要求。

最終樣車采用更改的結構進行試驗，再未出現(xiàn)相關的質量問題，驗證了方案方法的有效性。