基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题

汪沛伟　龚侃　袁亮　张铁　宋瀚

摘 要：本文针对项目开发过程中的试验开裂问题，基于疲劳设计的基本理论，对影响车身疲劳耐久性能的因素进行分析。提出改善思路及改善方向，通过大扭转静态仿真分析方法，快速提出了有效的改善方案。该方案通过试验样车耐久测试，验证切实可行，为今后车身结构解决疲劳失效的问题提供重要参考。

关键词：疲劳耐久；应力集中；大扭转工况静态分析

中图分类号：U463.3+6 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0108-04

Abstract： Based on the basic theory of fatigue design， analyze the factors influencing the fatigue performance of the car body. For cars at the back of the cracking problems， and put forward improvement ideas， two simulation methods as well as the dynamic and static， fast effective improvement scheme was put forward. The plan by the experimental prototype durability test to validate the feasible， at the back of the car body and the other for the future provide a valuable reference for solving the problem of fatigue failure of the structure.

Key Words： fatigue； stress concentration； big torsional static analysis

1 背景

随着汽车市场越来越大，人们对汽车的安全性、可靠性的要求越来越高。在汽车行驶过程中，由于路面不平整等因素影响，车身通常会受到交变载荷的作用，在交变载荷的重复作用下车身结构可能产生低于材料最大应力水平下的疲劳破坏。车身作为汽车的重要支撑结构，其疲劳耐久性能对整车的安全性、可靠性影响尤其明显。

本文针对某三厢车型开发过程中，车身后部在耐久试验中开裂问题为例，根据疲劳设计理论提出解决思路，并由此提出新的仿真分析思路，快速有效的提出解决方案，最终通过实车验证解决了开裂问题。

2 问题描述

某三厢轿车在试制样车阶段进行轮胎耦合道路耐久试验中，车身后部出现了不同程度的开裂现象。开裂的地方主要发生在车身后部后隔板处，后隔板是三厢轿车特有的结构，位于车身后排座椅靠背的后面，行李箱的前面，连接左右侧C柱钣金结构，如图1所示。后隔板是重要的传力路径，对整个车身起到一个横向的支撑，对整个车身的扭转刚度、强度均有重要影响。

开裂的焊点表面平整，无脱焊的现象，排除是焊点工艺直接造成的开裂。轮胎耦合道路耐久模拟试验中，对轮胎的激励是一个循环的交变信号，而试验中首次失效是发生在当量2.67万公里时出现，因此该失效为疲劳破坏的范畴。

3 开裂问题分析及解决方法

3.1 疲劳设计问题影响因素

疲劳寿命的计算方法通常通过试验的数据统计及经验总结而成。典型的计算方法有S-N曲线的计算方法，该方法主要适用于构件的实际应力水平在材料的弹性范围内，且材料的失效循环次数很高的高频疲劳问题，适用于后隔板开裂问题的范畴。理想化的S-N曲线为线性的，如下图3所示：

其中，N代表在发生疲劳失效前，构件所经历的应力或应变循环数，称为疲劳寿命；而S表示外加应力或者应力水平。该曲率b反馈材料的应力与循环次数的比率，根据上图得出：

从公式中可以看出，疲劳寿命与b、Se、S有关。其中，b与Se均与材料的本质有关，通过选用疲劳极限较高的材料，有利于提高零件的疲劳寿命。在材料不变的条件下，零件的应力水平与疲劳寿命呈反比，降低零件的应力水平可以提高零件的疲劳寿命。

3.2 疲劳问题优化方向

通过以上分析，针对车身后部区域的疲劳开裂形式，结合开发周期以及生产成本，主要从改善应力水平、结构优化的方向出发来解决问题，如下图4所示：

钣金件的加强筋、开孔及一些特征圆角等结构处，会造成局部的应力集中，随着交变载荷累积的影响，最终产生疲劳失效。因此，找到疲劳性能薄弱区域，对该区域的结构进行适当的几何形状优化；同时，通过增加局部加强板结构，增加焊点的数量等方法优化力的传递路径，改善零件的应力水平，能提高零件的疲劳寿命。

3.3 大扭转工况强度分析

传统的车身耐久性能仿真分析，需要通过实验采集载荷谱，通过载荷谱仿真分析法才能找到耐久性能薄弱点。整个的计算周期较长，效率较低。通过理论公式分析，性能薄弱点通常就是相对应力水平较高的区域，因此我们采用静强度工况—大扭转工况强度分析，来找性能风险区，计算周期短，效率高。

大扭转工况是指在其他车轮无施加载荷的情况下，仅对右后轮施加垂直向上载荷，主要模拟了车身在垂直非对称载荷工况下的状况。通过分析，车身试验过程中，后隔板等车身后部区域较高的应力水平正是扭转工况下产生的，因此选用该工况进行强度分析，来识别后隔板的疲劳风险区。

首先通过3-2-1原则对车身上其它三个轮胎的悬架连接处进行约束，左前轮处约束Y向及Z向，右前轮处约束Z向，左后轮处约束XYZ向；然后对右后轮增加垂直向上的载荷（一般为3—5g），通过轮胎载荷计算，最终载荷反馈到右后轮的悬架与车身的安装固定点上，如图5所示。通过对比基础车与目标车在此工况下车身结构的应变水平，确定需要改善的结构区域并确定目标值。最后，通过优化基础车应力水平较高区域的结构使其评价指标接近于目标值，从而达到改善车身可靠性的目的。

3.4 疲劳失效问题优化措施及验证

从以上改善思路出发，结合具体的结构形式，提出了以下的第一轮改善方案，如图6所示：

1） 取消后部板件的加强筋；

2） 增加后座椅锁扣加强板；

3） 增加局部加强板；

4） 增加左右封板，形成腔体结构；

5） 取消前支撑板上的减重孔

由对比可知，优化后车身后部区域应力分布有明显改善，最大应力由基础车的822Mpa降为437Mpa，应力分布优于基础车和对标车A，与对标车B相当。

通过以上大扭转工况强度分析的结果，最终确定了第二轮的解决方案。改善方案已实施，改善效果明显，在轮胎耦合道路耐久试验中车身后部开裂问题未再发生，达到改善目标要求。

4 结论

本文主要针对某车型车身后部在轮胎耦合道路耐久试验中开裂的问题，通过理论分析，提出了解决疲劳失效问题的思路。在识别疲劳风险区域过程中，提出了大扭转工况静强度分析来替代载荷谱分析的思路。大扭转工况静强度分析能提高反馈速度，迅速锁定产生疲劳性能薄弱区；同时，通过对比其他车型的应力水平，能快速有效的确定优化目标值，为后续优化方案提供依据。该分析方法具有显著提高工作效率，降低开发风险的优点。

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