作者：劉婷婷 王蓉 劉佳雯 黃浩 趙周 李來 單位：上汽紅巖汽車有限公司

摘  要：

針對(duì)某商用車型在可靠性路試過程中保險(xiǎn)杠本體開裂問題，對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用CATIA軟件和Hyperworks軟件分別建立了保險(xiǎn)杠3D模型和有限元仿真模型，通過模態(tài)和頻率響應(yīng)分析獲得保險(xiǎn)杠優(yōu)化前后的模態(tài)和頻率響應(yīng)結(jié)果，確定了保險(xiǎn)杠開裂的原因，并進(jìn)行改進(jìn)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：通過動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法可以解決保險(xiǎn)杠開裂問題，對(duì)提高商用車的安全性具有參考意義。

隨著汽車技術(shù)的不斷完善，人們?cè)谧非蟪塑嚻焚|(zhì)的前提下，越來越注重汽車的關(guān)鍵零部件性能能否滿足相應(yīng)的使用要求[1]。汽車在使用過程中受到多工況多激勵(lì)載荷作用，而汽車保險(xiǎn)杠作為汽車接觸外界的第一道防護(hù)裝置，其薄弱區(qū)域在多重載荷沖擊下很容易發(fā)生開裂，因此，應(yīng)確保保險(xiǎn)杠具有足夠的強(qiáng)度，以滿足相應(yīng)的裝配及結(jié)構(gòu)性能要求[2,3]。本文針對(duì)某商用車型在道路可靠性實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了局部開裂的問題，通過有限元分析研究保險(xiǎn)杠的振動(dòng)特性，找到保險(xiǎn)杠開裂原因，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決了保險(xiǎn)杠在實(shí)驗(yàn)中開裂的問題。

01

 保險(xiǎn)杠本體開裂問題描述

某商用車在進(jìn)行可靠性道路試驗(yàn)過程中，當(dāng)車輛行駛到6700km時(shí)，試驗(yàn)樣車保險(xiǎn)杠本體產(chǎn)生局部裂紋，樣車保險(xiǎn)杠裂紋部位如圖１所示。

圖1 保險(xiǎn)杠開裂部位

通過對(duì)保險(xiǎn)杠裂紋進(jìn)行初步分析，保險(xiǎn)杠開裂可能由于材料成型過程中本身存在缺陷，或是受路面的振動(dòng)激勵(lì)的影響，具體原因需要通過有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析來進(jìn)一步確定[4]。

02

 保險(xiǎn)杠開裂仿真

2.1保險(xiǎn)杠三維數(shù)模

保險(xiǎn)杠主要由保險(xiǎn)杠本體、保險(xiǎn)桿支撐支架組成，CATIA數(shù)字模型如圖2所示，保險(xiǎn)杠各部件的材料屬性見表1。

圖2 保險(xiǎn)杠CATIA數(shù)模

表1  材料屬性

2.2保險(xiǎn)杠有限元模型

保險(xiǎn)杠分析模型采用殼單元模擬，單元網(wǎng)格尺寸為5mm。螺栓連接采用BAR單元模擬，兩側(cè)大燈用rbe3單元和MASS單元代替[5]，模型單元數(shù)379273，節(jié)點(diǎn)數(shù)114124，有限元模型如圖３所示。   

圖3 保險(xiǎn)杠有限元模型

2.3保險(xiǎn)杠有限元分析

對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行模態(tài)和頻率響應(yīng)分析，對(duì)車架端全約束，計(jì)算0-60Hz頻率范圍內(nèi)的約束模態(tài)[5]。在車架截取段分別施加X、Y、Z共３個(gè)方向且大小均為1ｇ的加速度激勵(lì)，輸出.h3d 結(jié)果文件，運(yùn)用Hyperview后處理軟件查看保險(xiǎn)杠的模態(tài)振型，以及保險(xiǎn)杠骨架的頻響應(yīng)力云圖分布和應(yīng)力值大小[6]。前四階模態(tài)分析結(jié)果云圖如圖４所示。不同頻率下的應(yīng)力云圖如圖５所示。

圖4 模態(tài)振型結(jié)果

圖5  頻響結(jié)果云圖從仿真結(jié)果來看，最大應(yīng)力出現(xiàn)的地方與實(shí)驗(yàn)中保險(xiǎn)杠開裂位置基本一致，表明建立模型是準(zhǔn)確可信的。根據(jù)云圖顯示，保險(xiǎn)杠本體在X向_1g和Z向_1g激勵(lì)時(shí)，共振頻率為16.39Hz，在開裂位置的應(yīng)力最大達(dá)到了617.6Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度，且從保險(xiǎn)杠的模態(tài)結(jié)果來看，16.39Hz是保險(xiǎn)杠的彎曲模態(tài)，如果想優(yōu)化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)，需要提高保險(xiǎn)杠的彎曲剛度。

03

 保險(xiǎn)杠改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

3.1改進(jìn)方案說明

通過保險(xiǎn)杠的模態(tài)和頻率響應(yīng)分析，保險(xiǎn)杠開裂的原因，主要是由于保險(xiǎn)杠的第二階彎曲模態(tài)與路面激勵(lì)耦合的結(jié)果，為了增加保險(xiǎn)杠的彎曲剛度，在前防護(hù)支架上安裝一個(gè)支撐桿與保險(xiǎn)杠本體焊接，如下圖所示。

圖7 改進(jìn)方案

3.2優(yōu)化方案結(jié)果分析 

對(duì)優(yōu)化方案同樣進(jìn)行模態(tài)和頻率響應(yīng)分析，結(jié)果顯示，保險(xiǎn)杠的第一階模態(tài)頻率為26.68Hz，相比改進(jìn)前有大幅度提升，且保險(xiǎn)杠的彎曲模態(tài)并未單獨(dú)出現(xiàn)，而是與局部模態(tài)同時(shí)出現(xiàn)在第四階，模態(tài)結(jié)果云圖如圖8所示。

圖8 改進(jìn)方案模態(tài)振型結(jié)果

頻率響應(yīng)結(jié)果顯示，在開裂位置，保險(xiǎn)杠本體在X向_1g和Z向_1g激勵(lì)時(shí)，共振頻率31.5Hz，應(yīng)力分別為148.6Mpa和152.2Mpa，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)力結(jié)果云圖如圖9所示。 

圖9 應(yīng)力結(jié)果云圖

上述優(yōu)化方案與原方案結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2  優(yōu)化結(jié)果對(duì)比 

根據(jù)表2的分析結(jié)果，優(yōu)化方案的保險(xiǎn)杠開裂位置的應(yīng)力值與原方案相比應(yīng)力均有百分之40以上的降低，效果良好。

經(jīng)評(píng)估，將改進(jìn)方案制件進(jìn)行了7000KM的道路可靠性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)未發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)杠開裂現(xiàn)象，說明該問題已經(jīng)解決。

04

 結(jié)束語(yǔ)

保險(xiǎn)杠開裂范疇屬于是動(dòng)力學(xué)，通過結(jié)合模態(tài)和頻率響應(yīng)分析可以有效的發(fā)現(xiàn)開裂原因，是解決此類問題的有效方法。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行保險(xiǎn)杠振動(dòng)分析研究可以完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高商用車的被動(dòng)安全性。本文的建模與優(yōu)化方法對(duì)解決保險(xiǎn)杠開裂及類似問題具有實(shí)際指導(dǎo)作用和參考意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］熊強(qiáng),蔡小石.某載貨車前保險(xiǎn)杠骨架開裂問題的分析及解決[J].汽車工藝與材料，2016(8):50-54.

［2］萬銀輝.鋁合金汽車保險(xiǎn)杠橫梁的輕量化設(shè)計(jì)及其性能研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2013. 

［3］許瑩瑩.基于低速碰撞和行人腿部保護(hù)的前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2011． 

［4］李金龍,胡鵬,馬媛媛等.某商用車前保險(xiǎn)杠開裂問題分析及優(yōu)化[J],汽車實(shí)術(shù)，2017(19)-21.

［5］章春亮.有限元分析中的單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量與計(jì)算精度[J],輕工機(jī)械,2012(1)：27-31.

（原載《西南汽車信息》2022年第10期）