某型SUV后扭梁开裂分析与优化

徐昊地

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

后扭梁式后悬架是轿车后悬架的一种重要形式，在经济型轿车中得到广泛的应用。后扭梁悬架（半独立悬架）操稳性能较好、节省布置空间、造价较低。但舒适性不如独立悬架，且容易出现开裂等强度问题[1]。日系轿车中，卡罗拉和威驰等都是采用扭梁作为后悬架，其凭借成熟的结构设计和高超的金属工艺成为后扭梁设计的标杆。国内后扭梁的结构设计几乎应用了当前可量产的最好钢材。文章采用抗拉强度为510 MPa的钢材作为承担扭梁扭转变形的横梁结构。好的钢材不仅要有较高的抗拉极限；较一致的内部结构（不容易产生缺陷）；较好的加工、成型及焊接等性能；同时，制造的工艺也比较重要，这关系到表面粗糙度、焊缝熔深及焊缝一致性等，这些都对扭梁设计的成败起到关键作用。文章阐述了扭梁某处结构缺陷的改进过程。

1 开裂问题分析

1.1 问题描述

某型SUV后扭梁在路试试验中出现弹簧托盘与横梁连接处开裂的现象（此位置之后论述简称小舌头），且同侧的弹簧托盘与横梁纵向搭接臂的焊缝底部也出现开裂（此位置之后论述简称鹅脖子）。具体开裂位置有限元模型，如图1所示，扭梁实际开裂的图片，如图2和图3所示。

图1 某型SUV后扭梁有限元模型和开裂处标示

图2 某型SUV后扭梁小舌头处开裂照片

图3 某型SUV后扭梁鹅脖子处开裂照片

1.2 优化思路

利用有限元法对离散化的有限元模型进行加载来模拟扭梁在实际台架试验或实际路试状态下的受力状况，分析其刚度和强度（应力、损伤等），再结合坏路试验的情况，利用刚强度指标对扭梁进行结构优化，并用优化的模型指导制造样件，进行路试验证并反馈结果，从而最终获得合格的扭梁设计方案。

1.3 优化方法选择

1.3.1 道路试验

对于扭梁来说，验证扭梁的可靠耐久性，一般是把扭梁安装在试验车上进行道路试验。最终唯一的考核标准就是其能够完成完整的道路试验规范所规定的试验里程。道路试验分为高速公路试验、山路试验及强化坏路试验三部分[2]。其中对扭梁损伤最大的就是强化坏路试验。强化坏路试验选择在北京通县试验场进行。

试验车跑环形坏路，一个环形为一个循环周期，其中包括：扭曲路乙、石块路丙、石块路乙、卵石路乙、砂石路、搓板路丙、长波路及大长波路等坏路工况。按照试验标准跑完相应的循环数扭梁不发生开裂，即为合格。

在这些坏路工况中，扭梁的各个硬点要承受各种不同方向和大小的载荷，表现出各种不同的姿态，大体上有扭转姿态、上跳姿态、各向冲击姿态及混合姿态。扭梁在这些姿态中，各硬点瞬时受到的载荷均不相同。

1.3.2 仿真模拟

为了模拟扭梁在各种路况下的应力和损伤情况，有限元仿真分析一般分为两大方向。

1）模拟各种简单加载情况，如扭转、弯曲及侧向加载等，这种方法建模时的边界条件选取相对简单，且在扭梁研发前期可以很容易地跟台架试验相对应（试验室也容易用作动器加载这种工况），对扭梁性能的选择也有参考作用，因此适用于研发前期。但是这种方法不能模拟路试中较为复杂的工况，一般无法找到开裂原因。

2）模拟多向加载情况，即模拟实际路试边界条件，在这个方向上最贴近试验载荷状态的方法就是用路谱导入疲劳软件计算疲劳损伤，因为实际路谱载荷（用ADAMS把轴头6分力数据处理成扭梁各个硬点的时域力[3]）是和时间相关的变化力，因此不能用一般隐式求解有限元软件计算疲劳损伤。未采用此方法是因为当时尚不具备此项能力。在多向加载的情况下，另一种方法是汇总工况法——用经验汇总出导致车辆损坏的常用6种工况和滥用4种工况。其中常用6种工况可以理解为用户日常使用中对整车强度考验较大的6个极限时刻（如快速转向时、急刹车时及满载过凸台时受垂向冲击等），而滥用4种工况则是汽车在极端载荷下受力状态，滥用工况有侧撞马路牙、过坑制动及前后撞击等[4]。上述汇总工况方法的优点是计算速度快，对于改型的结果反馈迅速，但由于是概括性工况，对实际路况的还原程度不如疲劳运算。所以，在优化方案确定后，还是需要用路谱疲劳计算来验证其可靠耐久性[5]。

文章选用多向加载下的第2种方法——汇总工况法。

1.4 优化过程简介

有限元模型采用5 mm壳单元建模。整个模型运用惯性释放法分析，常用静力分析都是针对静定或超静定结构，即模型都是处于全约束或者过约束状态，在整个加载过程中遵循小位移理论。而惯性释放法可以模拟动态状态，即模型可以处于欠约束状态。惯性释放法会额外施加惯性力，惯性力的大小为物体的加速度乘以质量，方向与加速度方向相反。这样物体还是处于静平衡状态，可以用隐式静力学软件模拟动态工况。

载荷采用在ADAMS中给整车系统施加对应加速度，并提取出扭梁相关硬点的受力状态[6]。经过多轮验证，最终从常用6种工况中筛选出加速度为1 g的转向工况和加速度为3 g的颠簸工况作为主要考核标准，转向工况权重更大。图4～图6分别示出加速度为3 g颠簸和1 g转向工况下的边界条件（力、力矩加载图）及变形图。

图4 某型SUV后扭梁颠簸工况边界条件仿真图（加速度为3 g）

图5 某型SUV后扭梁转向工况边界条件仿真图（加速度为1 g）

图6 某型SUV后扭梁颠簸和转向工况变形仿真图

由于小舌头和鹅脖子2处开裂点距离较近，在对扭梁的应力分析中，首先要确定小舌头和鹅脖子2处开裂是否有因果关系，是不是一处开裂导致另一处开裂，也就是说：哪一处是原始开裂点。

由于试验记录未给出明确的2处开裂时间顺序，因此尝试用CAE分析模拟开裂过程。通过对颠簸和转弯工况的应力分析，采取先通过有限元模拟的3种方案：1）相同工况下小舌头和鹅脖子哪处应力更大；2）小舌头失效观察鹅脖子处应力增幅；3）鹅脖子失效观察小舌头处应力增幅。其本质思想就是物理试验中的控制变量法。

通过有限元分析结果对比并结合试验现象（试验失效的扭梁里鹅脖子开裂数量大于小舌头，且鹅脖子和小舌头几乎处于同一侧开裂），得出结论：鹅脖子先开裂，小舌头次于鹅脖子开裂，但是并不一定是从属关系。最终决定后续优化方案的强度分析以2处应力都降低为基础，且优先降低鹅脖子处的应力。

2 优化方案与验证

经过多轮优化，筛选出应力降低最明显的方案（某些方案更符合设计美学，但是已经处于样车路试阶段，没有足够的资源和时间进行探索），得出最终优化方案：鹅脖子处加L型加强板+小舌头斜上延长10 mm，如图7所示。

图7 某型SUV后扭梁优化前后模型局部对比

加L型加强板会大幅降低鹅脖子处的应力，而且对小舌头处传递的力也有分担作用。而小舌头斜向上延长10 mm是在参考其他车型的扭梁结构基础上改进而成，目的是降低弹簧托盘与横梁之间的连接刚度，从而降低小舌头处应力。表1示出优化前后开裂部位应力对比。从表1可以看出，在关键转向工况下，鹅脖子应力从195.6 MPa降低到135.7 MPa，降低近30%。

表1 某型SUV后扭梁改进前后方案应力对比 MPa

经过试制，最终将改型后的扭梁安装在试验车上进行坏路路试，路试结果表明，扭梁在规定的里程内未出现开裂现象，因此可以进行量产。该方案也证明了优化思路和方法的准确性。图8示出优化后的扭梁局部照片。

图8 某型SUV后扭梁改型后照片

3 结论

为了在样车路试阶段紧急修补后扭梁开裂问题，在综合分析3种有限元仿真方法的基础上，进行可行性分析和有限元结果对比归纳，最终筛选出带惯性释放的1 g转向和3 g颠簸工况进行强度校核和优化，使关键处应力降低了30%以上。对优化出的试件进行试制和试验，最终扭梁通过了路试试验考核。在量产前解决了开裂问题。并为今后扭梁设计提供可借鉴的方法。