某越野车车架纵梁开裂失效原因分析及对策

韩伟 曾斌 方鹏 刘清 陈旷

摘  要：对某款越野车车架在可靠性试验中出现的纵梁开裂问题，通过故障树分析及建立有限元模型进行结构力学分析，找到导致失效的主要原因。考虑到实际结构与工艺要求，本文提出了改进优化方案，并对方案进行结构力学分析和整车试验验证，开裂问题得到很好地解决。实践表明这种解决问题方法有效，对其它同类结构力学问题有一定的参考意义。

关键词：越野车车架;故障树分析;结构力学;有限元分析;开裂

中图分类号：U463.32     文献标识码：     文章编号：1005-2550（2018）06-0056-04

Cause analysis and Countermeasures for cracking failure of the longitudinal frame beam of an off road vehicle

HAN Wei， ZENG Bin， FANG Peng， LIU Qing， CHEN Kuang

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： According to the crack of the longitudinal frame beam of an off-road vehicle in the reliability test， the main cause of the failure is found out by structural mechanics analyzed by the fault tree analysis and the finite element model. Considering the actual structure and technological requirements， this paper proposes an improved optimization scheme， and the structural mechanics analysis of the scheme and the whole vehicle test verify that the cracking problem is well solved. The practice shows that this method of solving the problem is effective and has certain reference significance for other similar structural mechanics problems.

1    引言

车架不但承担发动机、车身、底盘、货物和乘客的质量，而且还承受汽车行驶时所产生的各种力和力矩。因此，其可靠性不仅关系到整车能否正常运行，而且还关系到整车可靠性、安全性。从整车角度看，要求车架具有足够的强度、适当的扭转与抗弯刚度以及合理的模态分布。本文针对某款越野车在可靠性试验中出现车架纵梁开裂问题，通过故障树分析，找到问题的方向，并建立了整车有限元模型，利用CAE仿真找到开裂问题的具体原因。考虑到实际结构与工艺要求，对车架纵梁结构进行优化设计，最终通过有限元仿真和试验验证，结果表明优化设计方案有效。

2    失效现象描述

某款越野车车架总成为典型的梯形结构，纵梁为箱形封闭断面，由变截面槽形钢焊接而成，共有5根横梁，前后悬架处各有2根横梁，支撑悬架上下三角臂，中间1根横梁支撑动力总成。在试验场进行可靠性试验，右纵梁前部过渡处内外片焊缝出现开裂问题，开裂位置位于纵梁下部（横向稳定杆后侧），之后对开裂位置进行补焊处理，经过若干试验里程后，补焊位置纵梁内片出现Z向裂纹，开裂照片见图1所示：

3    原因分析

3.1   故障树分析

故障树分析法（Fault Tree Analysis，简称 FTA）是系统可靠性和安全性分析的工具之一。它是将系统故障形成的原因，由总体至部分按树枝状逐渐细化的图形演绎方法，分析可能造成系统故障的各种因素，其目的在于判明基本故障、确定故障原因和故障发生的概率。根据故障树分析方法，对引起开裂的原因，主要先从材料、工艺、产品防护、部品质量管控、设计缺陷等方面分析排查，见图2所示。

如图2车架纵梁故障树所示，影响纵梁开裂共有12关键因素，针对这12关键因素，制定排查与检测计划。

通过以上分析，初步判断有可能是纵梁局部强度不足导致开裂。

3.2   有限元分析

為验证纵梁开裂具体原因，建立了包含驾驶室、货箱、底盘、车架在内的整车有限元模型。钣金采用壳单元模拟，铸件采用四面体单元模拟，Rigid单元模拟焊缝和螺栓连接，Beam单元模拟关键位置的螺杆。对驾驶室、货厢分别进行满载配重，动力总成用质点代替，整车计算模型如图3所示。分析中前处理采用Hypermesh软件，后处理采用Hyperview软件，模态、刚度计算采用OptiStruct求解器，强度计算采用Abaqus求解器。

强度分析，采用惯性释放法，主要分析七种工况（静态稳定工况、垂直跳动工况、驱动垂直跳动工况、制动工况、驱动转向工况、转向工况、极限转向工况）下的应力云图。

通过仿真分析可知：在驱动垂直跳动工况下，最大车架前部折弯处最大应力为535MPa，应力云图图4所示;在驱动转向工况下，最大车架前部折弯处最大应力为534MPa，应力云图如图5所示。这两种工况下，最大应力超过材料的屈服极限，其余工况均满足要求（应力云图这里不再给出）。综上可以得出：纵梁前部折弯处应力超过材料屈服极限是导致开裂主要原因。

4    设计改进对策及结果

4.1   改进优化方案

根据以上分析，开裂处为变截面过渡区域，前段临近转向机与横向稳定杆，后段为纵梁中段，布置发动机后悬置，受布置空间与工艺限制，改动纵梁内外片结构、转向机与横向稳定杆布置非常困难，同时考虑到底盘平台通用化，改动成本也非常高。基于實际结构与工艺情况，这里提出一种增加纵梁加强板与套管方案，即加强板向前至前悬架后支架处，向后至纵梁中段处，折弯处增加焊接套管，见图7。如此，一方面可以消除由于截面突变带来的应力集中，另一方面还可以通过局部加强的方法来降低应力值。

4.2   改进优化结果

对以上改进方案，重新进行结构力学仿真，各边界条件不变，仿真结果如表2所示。对于强度仿真，这里只给驱动垂直跳动工况与驱动转向工况。对于刚度仿真，这里主要分析车架弯曲刚度与扭转刚度。对于自由模态， 在不添加任何约束的条件下，通常低阶模态更容易被激励，这里只给出前四阶模态。

由有限元仿真结果可知，通过改进优化，车架最大应力明显减小，纵梁开裂处强度满足材料性能要求，车架总成刚度与模态均有提升，到达了预期结果。

根据改进方案，新试制了样车，重新开展并完成了可靠性试验，试验过程中未再出现纵梁开裂问题。基于该车架的基型车与改装车投入市场后，没有出现类似问题，具有较好的经济效益和社会效益。

5    结论

开裂问题，在结构设计中是一类较为常见的失效形式，本文针对某越野车车架纵梁开裂问题，通过建立故障树分析与有限元仿真模型，找出具体失效原因，充分考虑实际结构与工艺，给出改进优化方案，并再次对优化方案进行有限元分析仿真分析，最后通过整车试验验证，开裂问题得到解决。

参考文献：

[1]刘齐茂.某型载货车车架结构的拓扑优化[J].广西工学院学报2004年15（4）.

[2]郭立群.中重型车车架结构强度有限元建模与分析方法研究[J].汽车技术2008，6：4-7.

[3]张胜兰.基于hyperworks 的结构优化设计技术[M].北京： 机械工业出版社，2007.

[4]余启志，陈燕.基于拓扑优化的车架结构可靠性设计[J].汽车科技，2010（5）.

[5]马迅.车架刚度及模态的有限元分析与优化[J].客车技术与研究与优化，2004，26（4）：8-11.