谷昆侖 ， 郝朝利 ， 程 嘯

（江蘇吉麥新能源車業(yè)有限公司，江蘇 徐州 221011）

0 引言

汽車懸架系統(tǒng)的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，緩沖路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊載荷，并衰減由此引起的振動，保障駕駛員及乘客的舒適性[1]。純電動車型在試驗場進(jìn)行強(qiáng)化路試驗，行駛約9 000 km 時發(fā)現(xiàn)車身后部出現(xiàn)異響，輪胎跳動軌跡出現(xiàn)異常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)后懸架扭力梁車身側(cè)支架出現(xiàn)多處裂紋及開裂現(xiàn)象。

傳統(tǒng)意義上的研發(fā)流程，需通過大量的試驗驗證設(shè)計方案的可行性，不但開發(fā)周期長，同時還增加了各種成本開支。如通過有限元分析來優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)，不僅可以提高產(chǎn)品設(shè)計的效率，同時還可以縮減試驗驗證周期，降低研發(fā)成本。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)中不乏關(guān)于扭力梁的有限元分析案例，鮮見關(guān)于扭力梁車身側(cè)支架開裂有限元分析案例。關(guān)于扭力梁支架開裂有限元分析需注意分析建模、載荷工況、試驗對標(biāo)及結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)等事項。

本研究通過運用有限元分析的方法建立有限元模型，通過加載典型工況，運用強(qiáng)度理論判據(jù)，分析危險位置，然后針對危險位置提出優(yōu)化方案，提高支架強(qiáng)度。跟蹤路試試驗，驗證方案的可行性。

1 試驗結(jié)果分析

純電動車型在試驗場進(jìn)行強(qiáng)化路試驗過程中，后扭力梁與車身連接側(cè)的支架出現(xiàn)開裂，如圖1所示。經(jīng)分析總結(jié)，發(fā)生開裂的主要原因有：1）由于支架根部與車身缺少焊接焊點，導(dǎo)致載荷無法完全傳遞到車身縱梁上，如圖1 中A 所示；2）由于支架與兩側(cè)連接較少，導(dǎo)致支架載荷無法向兩側(cè)傳遞，如圖1 中B 所示；3）由于支架前部支撐過弱，載荷傳遞不暢，導(dǎo)致支架前部出現(xiàn)開裂，如圖1中C 所示。

圖1 后扭力梁支架試驗開裂圖Fig.1 Failure of back torsion beam supportaftertest

2 強(qiáng)度理論

強(qiáng)度理論主要有4 種常用的強(qiáng)度理論，第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論一般用于評價和解釋塑性材料屈服的強(qiáng)度理論[2]。其中，第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論公式分別如式（1）、式（2）所示：

式中：σ1、σ2、σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力；σ 為許用應(yīng)力。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]得出主應(yīng)力的計算公式如式（3）～式（5）所示：

式中：

其中，σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx分別為單元體3 個方向上的正應(yīng)力和切應(yīng)力。

由以上公式可以看出，相比第三強(qiáng)度理論，第四強(qiáng)度理論將主應(yīng)力σ2考慮其中，對于薄壁結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜載荷的應(yīng)力狀態(tài)，采用第四強(qiáng)度理論作為判據(jù)，結(jié)果更貼近了實際狀態(tài)，減小了誤差，因此，本研究選用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行評價。

3 有限元模型

在有限元分析過程中，模型合理的簡化對分析過程和分析結(jié)果的影響至關(guān)重要。針對不同的求解類型，有限元模型建立的側(cè)重點也略有差異。一般應(yīng)在保證計算精度的前提下，盡可能縮短建模和求解計算的時間。

考慮到整車模型較大，對整車模型進(jìn)行簡化，選取車身的三維模型并通過有限元前處理軟件搭建分析模型；有限元模型的零部件網(wǎng)格平均尺寸為5 mm，同時為了提高仿真分析的精度，對后扭力梁支架的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化；車身相關(guān)的鈑金件采用殼單元建立車身有限元模型，焊點采用ACM 單元進(jìn)行模擬，螺栓、焊縫采用RBE2 剛性單元進(jìn)行簡化處理，配重質(zhì)點CONM2 采用RBE3 連接[4]，有限元模型如圖2 所示。

4 邊界條件

為了更好地找尋后扭力梁支架在道路試驗中開裂的根本原因，同時結(jié)合以往分析經(jīng)驗[5-8]，本研究簡化為主要考慮車輛在路面行駛的3 種比較典型的惡劣工況，如圖3 所示：

工況1：垂向沖擊工況，表示車輛承受垂直方向上跳3 g 加速度時的狀態(tài)（圖3a）；

圖3 邊界條件和載荷Fig.3 Boundary condition and loads

工況2：前行制動工況，表示車輛在制動過程中承受1 g 加速度的狀態(tài)（圖3b）；

工況3：轉(zhuǎn)彎工況，表示車輛在轉(zhuǎn)彎過程中承受側(cè)向1 g 加速度的狀態(tài)（圖3c）。

為了更好地模擬扭力梁支架在各種路面工況下的真實受力，首先通過動力學(xué)分析軟件提取底盤與車身連接的各個硬點的力和力矩作為載荷輸入。然后在分析中引用慣性釋放的原理完成計算[9-13]，獲取扭力梁支架的應(yīng)力分布。3 種工況的加載模型如圖3 所示。

5 對標(biāo)分析結(jié)果

模型經(jīng)計算完畢后，首先通過后處理檢查零部件是否有異常運動及運動穿透情況，確認(rèn)模型計算無問題。

基于第四強(qiáng)度理論，通過查看各個工況下的后扭力梁支架應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)：

1）垂向沖擊工況下，后扭力梁支架與縱梁搭接處應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為372 MPa，超出材料的許用應(yīng)力340 MPa，存在開裂風(fēng)險（圖4a）。這與道路試驗圖1 中A 開裂位置一致。

2）前行制動工況下，后扭力梁支架與縱梁搭接處、支架內(nèi)側(cè)、支架前端的應(yīng)力均較大，最大應(yīng)力為1000 MPa，均超出材料的許用應(yīng)力340 MPa，存在較大開裂風(fēng)險（圖4b）。這與道路試驗圖1 中A、B、C 開裂位置一致。

圖4 各工況下應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution under working conditions

3）轉(zhuǎn)彎工況下，后扭力梁支架前端及根部與縱梁搭接處的應(yīng)力均較大，最大應(yīng)力值為590 MPa，均超出材料的許用應(yīng)力340 MPa，存在較大開裂風(fēng)險（圖4c）。這與道路試驗圖1 中A、C 開裂位置一致。

從以上3 個工況的分析結(jié)果可以看出，仿真分析結(jié)果較好地反映出道路試驗后扭力梁支架的失效的位置及狀態(tài)，進(jìn)一步說明有限元模型的可靠性。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮盡可能少的改變原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于以上對標(biāo)模型及結(jié)果對后扭力梁支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行以下優(yōu)化：

1）增強(qiáng)扭力梁支架底部與縱梁的連接，如圖5中A、B 所示；

2）增加支架與周圍零件的連接，傳遞來自地面的沖擊載荷，如圖5 中B、C 所示。

圖5 原始方案和優(yōu)化方案Fig.5 Initial structure and improved structure

根據(jù)以上優(yōu)化方案，重新建立模型并遞交計算，通過計算后處理得到的應(yīng)變云圖如圖6 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的模型，3 個工況的最大應(yīng)力均未超過材料的許用應(yīng)力340 MPa，且安全系數(shù)大于1.2。后扭力梁支架強(qiáng)度滿足法規(guī)要求。

基于以上優(yōu)化方案進(jìn)行樣件樣車試制，重新進(jìn)行道路可靠性耐久試驗，在完成規(guī)定里程道路試驗后檢查后扭力梁支架，沒有發(fā)生任何開裂，進(jìn)一步驗證了方案的有效性。

7 結(jié)論

1）運用有限元手段進(jìn)行模型的合理簡化、局部細(xì)化網(wǎng)格、道路工況合理簡化、動力學(xué)分析軟件載荷提取、慣性釋放理論等，對標(biāo)后扭梁支架道路試驗開裂結(jié)果，分析結(jié)果顯示后扭梁支架強(qiáng)度風(fēng)險位置與試驗開裂位置吻合度較高。

圖6 優(yōu)化方案各工況下應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution of improved structure under working conditions

2）針對典型工況強(qiáng)度分析中的危險位置提出優(yōu)化方案，提高支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過提高支架的強(qiáng)度和傳遞支架的載荷，能夠有效改善支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。進(jìn)一步跟蹤路試耐久試驗，驗證方案的可行性。

3）通過利用CAE 分析技術(shù)在車輛開發(fā)過程中的應(yīng)用，能夠有效找到問題原因并有針對性地加以優(yōu)化，從而縮短開發(fā)周期和節(jié)約成本。