閆躍奇，陳云，王力彬，馬帥帥

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

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乘用車C柱內(nèi)板開裂分析以及改進措施

閆躍奇，陳云，王力彬，馬帥帥

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

摘要：針對某SUV車型在整車臺架試驗中左、右C柱上拐角區(qū)域出現(xiàn)開裂問題，采用Hypermesh軟件利用整車試驗路譜進行車身疲勞分析，顯示是拐角區(qū)域應(yīng)力集中導(dǎo)致。據(jù)此提出一個車身開發(fā)過程中零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程，采用數(shù)據(jù)拓撲優(yōu)化，確定車身結(jié)構(gòu)合理設(shè)計。根據(jù)數(shù)據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，考慮工藝和成本兩個因素，對左、右C柱內(nèi)板本體進行結(jié)構(gòu)型面優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后，在零件成本下降的前提下車身零件疲勞壽命顯著提高。

關(guān)鍵詞：C柱內(nèi)板；疲勞分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

汽車在不同道路行駛過程中，車身結(jié)構(gòu)通常承受著交變載荷的作用，而這種交變載荷對車身結(jié)構(gòu)強度影響較大，往往會引起一系列的疲勞強度問題[1]。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和客戶對汽車質(zhì)量要求的提升，汽車零部件的疲勞強度已成為汽車產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標。所以，車身可靠性設(shè)計貫穿于汽車整個生命周期，意義重大。

1問題提出

某公司某SUV車型在整車臺架模擬1.5萬強化壞路試驗中，左、右C柱內(nèi)板本體在C柱上拐角區(qū)域出現(xiàn)開裂(見圖1)，裂紋從凸起筋延伸到四周，裂紋長20 mm左右。此開裂問題影響到車身的可靠性評價。

圖1　路試車開裂圖片

2分析計算

2.1線性疲勞累積損傷理論

Palmgmn-Miner[2]線性累積損傷理論將疲勞損傷D定義為使用應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)n與該應(yīng)力下材料疲勞壽命N的比:

認為在多級不同應(yīng)力幅值作用下,疲勞破壞發(fā)生時有:

其中：ni為第i級應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級應(yīng)力水平下的疲勞壽命。

2.2分析優(yōu)化流程

整車臺架24通道試驗?zāi)壳耙呀?jīng)成為整車可靠性強有力的開發(fā)工具，在實際項目開發(fā)運用中，已經(jīng)起到了早期發(fā)現(xiàn)問題并快速整改驗證、減少路試風(fēng)險和輪次的作用[3]。24通道在垂向、縱向和側(cè)向上均能很好地復(fù)現(xiàn)路面激勵，能對車身、底盤、內(nèi)外飾的結(jié)構(gòu)件疲勞、振動耐久、干涉等都有很好的考核。車身開發(fā)過程中零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程見圖2，利用Hypermesh軟件對數(shù)據(jù)拓撲優(yōu)化，確定合理的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖2　零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程圖

2.3Hypermesh軟件分析

根據(jù)Hypermesh軟件建立車身模型網(wǎng)格，以線性疲勞累積損傷理論為基準，采用整車道路采集的路譜進行模擬分析。道路載荷譜指車輛在行駛過程中載荷隨時間變化、并具有統(tǒng)計特征的載荷時間歷程[4]。在左、右C柱內(nèi)板鈑金拐角區(qū)域，原模型分析結(jié)果(見圖3)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，損傷值達到4.5，超出經(jīng)驗?zāi)繕酥?.4，故存在較大開裂風(fēng)險。

圖3　原模型分析結(jié)果

2.4優(yōu)化模型及疲勞分析

根據(jù)原模型分析結(jié)果，局部應(yīng)力過大，導(dǎo)致出現(xiàn)開裂的風(fēng)險。對模型進行拓撲優(yōu)化，將左、右C柱內(nèi)板上拐角區(qū)域型面進行光順，材料由DC06/0.7更改為DC04/0.7，增加約寬20 mm、高5 mm增強筋(見圖4)，Hypermesh軟件分析結(jié)果疲勞損傷改善到0.39，基本上滿足目標，可以降低開裂的風(fēng)險。

圖4　優(yōu)化后數(shù)據(jù)和分析結(jié)果

3優(yōu)化模型沖壓工藝分析

拉延筋的布置形式對C柱內(nèi)板的成形質(zhì)量有重要影響，通過合理設(shè)置分段等效拉延筋，有效防止了起皺、變形不充分、拉裂等缺陷的產(chǎn)生[5]。根據(jù)Hypermesh軟件拓撲優(yōu)化后數(shù)據(jù)，進行沖壓模擬分析，樣件無表面缺陷，可以滿足樣件檢驗質(zhì)量要求(見圖5)。

圖5　沖壓模擬分析更改后實物

4臺架、路試驗證

3×104km綜合道路試驗路面包括：一號綜合路、二號綜合路、比利時環(huán)路(見圖6)、性能路、高速環(huán)道、二號環(huán)道及標準坡道。經(jīng)24通道和3×104km綜合路試驗證，左、右C柱內(nèi)板上拐角區(qū)域無開裂出現(xiàn)(見圖7)。滿足可靠性試驗驗證要求。

圖6　比利時環(huán)路

圖7　路試車后狀態(tài)：無開裂

5結(jié)論

利用CAE軟件Hypermesh，找出了導(dǎo)致C柱內(nèi)板開裂的主要原因，并通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)、消除應(yīng)力、選用合理的材料(DC04/0.7),使C柱內(nèi)板開裂的情況得到根本解決。

整車臺架試驗以實際路況路譜為分析輸入，載荷一致，結(jié)果重復(fù)性好，較好地完善驗證CAE分析，使實車可靠性路試有了保障，使得在整車開發(fā)過程中，開發(fā)早期更早更快對底盤和車身進行評價，整車臺架路試問題整改驗證，開發(fā)末期替代結(jié)構(gòu)件的路試認可，為項目節(jié)省了成本、時間，有效提高了項目開發(fā)效率。

參考文獻:

【1】黃金陵.汽車車身設(shè)計[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2007:241-278.

【2】MINER M A.Cumulative Damage in Fatigue[J].Journal of the Applied Mechanics,1945,67(12):159-164.

【3】李張銀.整車道路模擬與道路試驗關(guān)聯(lián)研究[J]．汽車零部件，2013(6)：57.

【4】張覺慧，金峰，余卓平.道路模擬試驗用載荷譜樣本選擇方法[J]．汽車工程，2004，26(2):220-223．

【5】王琬璐，劉全坤，劉克素，等.基于數(shù)值模擬的C柱內(nèi)板拉延筋設(shè)計與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010(4)：60.

Analysis and Improvement Measures for C Pillar Crack of Passenger Car Body

YAN Yueqi，CHEN Yun，WANG Libin，MA Shuaishuai

(Chery Automobile Co.,Ltd.,Wuhu Anhui 241009,China)

Abstract:Aiming at the crack problem in the left and right C pillar corner area in the vehicle road test, Hypermesh software was used to do fatigue analysis of the vehicle body,it was shown that the crack was caused by the stress concentration in the corner area. According to the above, a flow of parts structure optimization in body development process was proposed, in which data optimization was used to determine the reasonable structure of the body. According to the optimization results, considering the two factors of the process and the cost, the left and right C pillar surface was optimized. The results show that the fatigue life of the body parts is improved after the optimization of the parts.

Keywords:C Pillar; Fatigue analysis; Structure optimization

收稿日期：2015-08-29

作者簡介：閆躍奇(1981—)，男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向為汽車車身。E-mail:yanyueqi@163.com。

中圖分類號:U463.82+1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)01-020-03