某电动皮卡前桥支架断裂分析与优化

陈宇楠，游道亮

（江铃汽车股份有限公司，南昌 330200）

0 引言

汽车前桥是传递车架与前车轮之间传递各向载荷的结构，车架的垂向载荷通过前桥传递至前车轮，与此同时，前车轮上的制动力、驱动力、摩擦力及其各个方向的扭矩通过前桥传递至车架。前桥支架是前桥与车架连接的关键部件，其强度性能的优劣决定了前桥系统的稳定性和整车的安全性，若其强度性能偏弱，将产生疲劳失效风险，直接影响前桥的可靠性。谢伟[1]为了验证某悬置支架的强度性能，基于重力场方法对其进行静态分析，得到了其应力分布和位移分布，并且以此进行评估其是否满足设计要求。游永忠[2]基于频率响应分析方法对某储气筒支架进行模态性能和振动强度性能分析，得到了固有频率和应力水平，并对其进行优化设计，最终通过了路试验证。某电动皮卡前桥支架在道路试验时发生开裂，为了分析其失效原因，首先基于有限元技术对该电动皮卡前桥支架进行静态强度分析、振动分析与受扭强度分析，针对其薄弱处进行优化，最后进行应力测试。

1 有限元原理

有限元分析的原理是将结构进行有限单元离散化，再根据变分原理求解运动方程。有限元方法能够节省试验成本，提高工作效率，广泛应用于工程实际。结构的运动方程[3-4]为

式中：f表示结构的载荷列阵；K表示结构的刚度矩阵；q表示结构的位移列阵。

首先搭建结构的运动平衡方程，然后按照结构的边界参数与外界激励，再基于虚拟功原理对平衡方程进行求解，最后获取结构的力与变形。

2 前桥支架有限元模型

将该电动皮卡前桥支架的三维数字模型导入至Hypermesh软件[5-8]中，抽取支架的中面，采用3 mm的四边形单元对其进行离散化处理，焊缝也采用四边形单元模拟，前桥的质量为50 kg，采用Mass单元模拟。前桥支架的材料为SAPH400，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为255 MPa，前桥支架的厚度为4 mm，建立其材料属性，以此构建前桥支架有限元模型，如图1所示。

图1 前桥支架有限元模型

3 重力场强度分析

前桥支架在整车正常行驶过程中，将受到不同程度的前桥重力加速度的作用，主要承受X、Y和Z方向（纵向、横向和垂向）的激励，根据经验工况可知，其X、Y和Z方向的重力加速度为5g、5g和10g。为了获取该前桥支架在重力加速度作用下的强度性能，基于前桥支架有限元模型，采用Nastran软件[9-12]约束安装孔所有的自由度，设置X、Y和Z方向的重力加速度分 别 为5g、5g 和10g，以此进行静态分析。图2为该电动皮卡前桥支架静态纵向的应力分布云图。通过图2可见，该前桥支架纵向的最大应力水平为58.8 MPa，小于材料屈服值。

图2 前桥支架静态纵向应力分云图

图3为该电动前桥支架静态横向的应力分布云图。通过图3可见，该前桥支架横向的最大应力值为165.8 MPa，也小于材料极限值。

图3 前桥支架静态横向应力分布云图

图4为该电动前桥支架静态垂向的应力分布云图。通过图4可知，该前桥支架垂向的最大应力水平为108.5 MPa，仍然小于材料许用值。综上所述，该前桥支架不是由于重力场强度性能偏弱引起的失效。

图4 前桥支架静态垂向应力分云图

4 振动强度分析

4.1 频率响应分析理论

频率响应分析是为了得到前桥支架在动态载荷作用下的动态响应，是基本原理是首先将具有n阶自由度的振动方程进行坐标转换，然后通过阵型坐标替换原始的坐标，再经模态矩阵转换以获取具有n个单自由度动力学方程，最后进行累加处理。前桥支架的多自由度系统方程为[13-15]

式中：M为前桥支架的质量矩阵；C为前桥支架的阻尼矩阵；K为前桥支架的刚度矩阵；x为前桥支架的位移响应向量；P为前桥支架的激励；ω为前桥支架的频率。

4.2 频率响应分析结果

为了获取该前桥支架的振动强度性能，将前桥安装孔作为激励源，分别在X、Y和Z方向施加1g振动加速度，频率范围为0～100 Hz，振动阻尼为0.1，对其进行频率响应分析。图5为该前桥支架纵向振动应力分布云图。通过图5可见，该前桥支架纵向的最大应力值为19.04 MPa，小于材料屈服值。图6为前桥支架横向振动应力分布云图。通过图6可见，该前桥支架横向的最大应力水平为220.2 MPa，也小于材料极限值。

图5 前桥支架纵向振动应力分云图

图6 前桥支架横向振动应力分云图

图7为前桥支架垂向振动应力分布云图。通过图7可见，该前桥支架垂向的最大应力值为96.7 MPa，同样小于材料屈服值。由此可知，频率响应强度性能也不是该前桥支架疲劳失效的原因。

图7 前桥支架垂向振动应力分云图

5 受扭强度分析

通过前桥支架的重力场分析和频率响应分析可知，该支架的应力值均小于材料屈服值，未能够复原其失效模式，该两种工况不是导致支架开裂的主要原因，因此假设当前桥支架受Y方向转矩2000 N·m，在前桥支架的有限元模型中加载该转矩值，以此进行静态分析，得到其应力云图如图8所示。由图8可知，该前桥支架的最大应力值为298.3 MPa，超过了材料屈服值，其安全系数为0.85，低于实际工程要求值，存在疲劳风险，不满足强度性能设计要求，并且其应力集中点与实际开裂位置相符，复原了失效模式。

图8 受扭应力云图

6 优化方案

为了提升前桥支架的强度性能，需加强应力集中位置的刚度，因此加宽其薄弱区域，并加高翻边，如图9所示。

图9 前桥支架优化方案

采用同样的方法，对其进行受扭强度分析。如图10所示，为优化之后前桥支架的应力云图。由图10可知，优化之后的前桥支架的应力为233.5 MPa，应力值减小了21.7%，强度安全系数为1.09，并且低于材料许用值，满足强度性能要求，能够有效避免失效风险。

图10 优化方案的应力云图

7 应力测试

为了验证有限元强度分析的准确度，在前桥支架优化方案的应力集中区域粘贴一个应变花传感器，如图11所示。并将其安装在试验车上，根据试验规范进行整车道路试验，以此测试该位置的应变数据。

图11 应变测试

如图12所示为应变测试数据。由图12可知，该前桥支架的其最大应变为1.071×10-3，通过理论公式计算得到其最大应力值为225 MPa，由此可知强度仿真分析的误差率为3.8%，处于实际工程误差范围之内。并且整车试验结束后，前桥支架未发生开裂，因此该有限元方法具有较高的准确性。

图12 应变数据

8 结论

采用有限元方法建立前桥支架有限元模型，分析对其进行重力场强度分析、频率响应强度分析和受扭强度分析，得到其最大应力值分别为165.8 MPa、220.2 MPa和298.3 MPa，其失效原因是Y方向受扭导致。然后加宽其薄弱区域，并加高翻边，优化之后前桥支架的应力降低至233.5 MPa，满足强度性能要求，并且应力测试值为225 MPa，由此可知该有限元方法具有较高的可靠度。