某輕客車頂疲勞失效分析與優化

摘要：針對某輕客車頂開裂問題，本文結合實際生產狀態，通過CAE仿真分析，找到了開裂的根本原因，提出了改進方案。特別是對三種頂蓋改進方案，在無物理樣車的情況下，應用了CAE虛擬疲勞分析技術，對改進后的車身頂蓋疲勞壽命改進倍數進行比較，選擇最優方案。改進后的方案通過了試驗驗證，從而縮短了產品質量改進周期。

關鍵詞：車頂;開裂;解決方案;疲勞壽命分析

中圖分類號：U463.82

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0047-05

Fatigue failure analysis and optimization of a Commercial vehicles

roof

CHEN Gui-jun

（ Nanjing IVECO Motors Co.， Ltd， Nanjing211806， China

Abstract： For a commercial vehicle roof cracking problems， combining with the actual production?status， and through the CAE simulation analysis， find the root cause of the crack.the improving measures are put forward especially for three kinds improvement scheme of?roof， in the case of no physical prototype， the application of CAE analysis technology of virtual?fatigue， the roof panel can improve the fatigue life improvement ratio comparison，?select the optimal scheme， the improved scheme passed the road test， so as to reduce the cycle?of the product quality improved.

Key Words： The iron roof ; Cracking; Solution; virtual fatigue analysis;

陳桂均

畢業于武漢理工大學，本科學歷，2010年獲得江蘇大學工程碩士學位。現就職于南京依維柯汽車有限公司產品工程部，任高級工程師，主要研究方向：車身及內外飾開發，已發表論文近十篇。

1引言

目前，汽車結構疲勞越來越受到各大整車制造企業的重視。對車輛疲勞壽命的傳統防范是利用實車在道路試驗車場進行路試【1】。隨著CAE技術的發展，基于虛擬樣機的虛擬試驗技術在世界各大汽車企業得到廣泛應用。某輕型客車已投產三年，車身頂蓋整體噴涂雙組分聚氨酯發泡材料，見圖1，車頂未出現過開裂問題。但因公司工廠搬遷，環保升級，禁止再使用整體噴涂聚氨酯發泡劑的工藝。為驗證工藝改變后車身可靠性，對車頂未實施聚氨酯發泡措施的整車進行道路驗證，結果車頂總成除了前頂外，其他頂蓋都出現了開裂，主要集中在前中頂、中頂和后頂頂蓋加強筋區域，見圖2：

頂蓋開裂會導致漏雨、銹蝕等問題，嚴重影響品牌形象及用戶滿意度。因此，有必要對出現裂紋的原因進行系統分析，并提出相應的解決方案。

2問題分析

該輕客實施頂蓋噴涂聚氨酯發泡的主要目的是提升整車NVH性能和空調的保溫性能，取消后后部頂蓋出現開裂問題，表明聚氨酯發泡有減輕頂蓋疲勞損壞的作用。從產品結構分析，頂蓋是材料厚度為0.8毫米的鋼板沖壓件，分為前頂、前中頂、中頂和后頂共四塊頂蓋，拼焊形成頂蓋總成，然后和左右側圍、后圍以及前圍焊接，在頂蓋拼接區域設計有三根支撐橫梁，橫梁和頂蓋之間間隙設計上要求小于7mm。橫梁和頂蓋之間通過膨脹膠連接，在焊裝車間實施，經涂裝烘房烘烤后膨脹硬化，起到減震的目的。聚氨酯發泡噴涂工藝在白車身涂裝之后實施，噴涂厚度15至20mm之間，覆蓋了頂蓋和橫梁之間的空隙，結構見圖3：

2.1頂蓋和頂橫梁間隙檢查

對試驗車輛拆掉頂內飾，測量頂蓋和橫梁粘接面間隙，第一根頂蓋和橫梁間隙7-8mm，和設計值基本符合。第二和第三根橫梁和頂蓋之間間隙較大，在中間間隙是15mm，兩側間隙是9mm。通過對生產線上噴涂聚氨酯發泡劑之前的多臺車身總成測量，第一根橫梁和頂蓋之間間隙基本符合設計要求，第二和第三根橫梁和頂蓋之間間隙基本都在9-15mm之間。因聚氨酯發泡工藝在白車身涂裝之后實施，發泡在常溫下遇空氣固化，不會改變橫梁和頂蓋的間隙，這表明無論是否取消聚氨酯發泡工藝，第二和第三根橫梁和頂蓋的間隙都不符合設計要求，只是在有聚氨酯發泡措施時，聚氨酯發泡填充了頂蓋和橫梁的間隙，使得此問題沒有暴露。這種間隙狀態下，膨脹膠失去作用，橫梁對頂蓋已沒有支撐作用，見圖4：

2.2頂蓋開裂區域受力分析

對試驗中未開裂的前頂和其他開裂的頂蓋進行應力分析，分析對象是整車有限元模型的截斷部分。主要板件之間連接方式為焊接，有限元模型使用殼單元離散，選取單元大小為10mm，，采用四邊形單元，少量三角形單元用于過渡結構。分析采用HYPERWORKS作為前處理器。基于ABAQUS求解器進行求解，點焊采用connector的CWELD單元模擬.縫焊采用剛性couple-kin單元模擬。頂蓋與橫梁之間的膠連接采用正六面體實體單元模擬。

圖5是橫梁支撐良好的情況下，前頂蓋重力場靜力分析云圖，最大應力值為6.11Mpa。圖6為實驗車后部頂蓋開裂頻發區域的重力場靜力分析云圖，在橫梁支撐良好時，最大應力值為10.73Mpa，無橫梁支撐時最大應力值達到126.88Mpa。區域與實際開裂位置基本一致，頂蓋材料是DC04，抗拉強度≥270Mpa，屈服強度≥130Mpa，頂蓋最大的應力值沒有超過材料屈服強度，但在無橫梁支撐時最大應力值接近材料屈服強度。說明是疲勞造成的開裂【2】【3】，在汽車行駛過程中，由于路面不平整等因素影響，車身通常會受到交變載荷的作用。在頂蓋的加強筋結構處，會造成局部的應力集中，隨著交變載荷累積的影響，最終產生疲勞失效【4】。