10.16638/jki.1671-7988.2017.13.048
基于CAE分析的轻卡地板可靠性优化和验证
许少楠，叶灿青，陈鹏飞，李鑫
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：卡车驾驶室地板作为驾驶室承载部件、与驾驶室悬置的连接件，其可靠性至关重要。文章针对可靠性试验的地板开裂的故障，结合CAE分析方法制定优化方案，通过试验验证解决了开裂问题，消除安全隐患。
关键词：CAE；有限元分析；可靠性优化；试验验证
中图分类号：U461.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)13-137-03
Reliability Optimization and Test of Light Truck Floor Based on CAE Analysis
Xu Shaonan, Ye Canqing, Chen Pengfei, Li Xin
安徽江淮汽车( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: Bearing the weight of cab and linking up with cab mounting system，the truck floor’s reliability is extraordinary important. In allusion to floor cracking failure in reliability test;optimization scheme was established by CAE analysis method in this paper;making use of test validation,cracking problem was resolved and potential risk was eliminated. Keywords: CAE; finite element method; reliability optimization; test validation
CLC NO.: U461.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-137-03
引言
试验场道路可靠性试验是试验样车在试验场内特定的试验道路上，按照特定的试验规范驾驶来重现汽车在整个设计生命周期内的疲劳损伤，该试验是整车可靠性试验最重要也是最常用的方法。通过这些道路试验能够模拟客户使用中的最恶劣工况，进而达到考核产品可靠性能的目的，能够尽可能早的发现潜在设计问题，最大限度的降低工程风险，缩短开发周期，提高汽车开发质量[1]。
安全性，是车辆的关键指标之一[2]。本文针对试验场道路可靠性试验中发现的驾驶室地板开裂故障，结合CAE方法制定优化方案，最终通过试验验证，达成驾驶室可靠性目标，消除安全隐患。1 道路可靠性试验评价方法
1.1 可靠性试验道路构成
完整的可靠性试验通常包括磨合、高速环道、山路和强化路等过程，其中强化路是验证驾驶室可靠性的主要部分，本车型的可靠性试验强化路路面包括：窨井、沥青路、减速坎、铁道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石块路、卵石路、鱼鳞坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路等。试验规范如表1所示，道路强化系数为15。
1.2 试验结果评价
本车型的道路可靠性试验强化路里程目标为8000km，将强化路道路试验划分为四个阶段，根据各阶段制定不同的试验要求，具体状态见表2所示。
2 道路可靠性试验问题及原因分析
2.1 试验问题
可靠性试验车在强化路3262km时反馈白车身开裂故
作者简介：许少楠（1986-），女，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，从事商用车白车身开发工作。
许少楠 等：基于CAE 分析的轻卡地板可靠性优化和验证 138
2017年第13期 障，白车身示意图如图1所示，开裂位置集中在地板前部（图1圈出位置），具体为地板左侧纵梁前梁翻转机构安装孔位置发生开裂（图2），左、右纵梁前梁多处翻边圆角位置开裂（图3）。
表1 强化路试验规范
表2 白车身强化路试验要求
图1 白车身示意图 图2 左侧纵梁前梁翻转机构安装孔位置开裂
2.2 故障原因分析
1）对驾驶室地板强度进行CAE 分析，重点确认故障位置的应力集中情况。分析工况及载荷见表3。
图3 左、右纵梁前梁多处翻边圆角位置开裂
表3 白车身强度分析工况载荷表
故障位置CAE 分析结果见表4，纵梁前梁的屈服强度为400MPa ，左纵梁前梁安装点位置在驱动和冲击工况下都超过了屈服极限；纵梁前梁翻边位置在单轮悬空工况下应力较大，结构疲劳强度不足导致开裂。
表4 故障位置CAE 分析结果
2）翻转机构安装点结构如图4所示，安装螺母采用Q371B12_1.25，螺母牙数少、支撑面小，与第一层板纵梁加强板的单侧搭接宽度为1.8mm ，与第二层板纵梁的单侧有效搭接宽度仅0.3mm ，与第三层板纵梁前梁无有效搭接，间距0.7mm ；若考虑实际情况中的焊接偏差，则配合状态更不理想。此种结构连接效果较差，一方面螺栓拉紧力作用易导致钣金变形，翻转机构的安装扭矩无法提升到使用需求；另一方面导致安装点受力面积小，应力集中，加之使用过程中各种应力作用，螺栓-螺母连接将逐渐衰减和失效。
图4 翻转机构安装点结构(单位：mm)
3 改进方案及验证
3.1 改进方案
1）安装点结构优化：翻转机构安装螺母开发专用件，加
汽车实用技术
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大支撑面，增加牙数，螺母轮廓尺寸见图5；螺母改进的同时翻转机构安装螺栓也改为大法兰面螺栓，安装扭矩可以由原来的75N.m-96N.m提升到140N.m-160N.m，保证翻转机构和白车身的连接强度和有效性，支撑面加大后也可以缓解安装点的应力集中。
图5 专用螺母轮廓尺寸
2）纵梁前梁结构优化：原纵梁前梁翻边处开裂为应力作用，翻边两侧长期扭曲变形导致，对纵梁前梁
结构进行优化（图6），增加翻边自焊形成半封闭的盒状结构（图7圈出位置），以提高结构强度；CAE分析结构显示：结构优化后，左纵梁前梁翻边开裂位置最大应力由267.8MPa降低为137.7MPa，右纵梁前梁翻边开裂位置最大应力由459.6MPa 降低为254.6Mpa（图6）。
图6 纵梁前梁结构进行优化示意图
图7 纵梁前梁结构优化后CAE分析应力云图3.2 方案验证
纵梁前梁结构和安装螺母优化应用到新的试验车辆之后，重新进行了试验场道路可靠性验证，车辆经过10000km 的强化路验证，在强化路8772km时发现两处纵梁焊点开裂，无其他故障反馈，满足白车身可靠性要求。后期3台量产车型也进行了试验场道路可靠性验证，均达成白车身可靠性验证目标。
4 结论
轻卡车型的驾驶室翻转机构多采用单扭杆形式，驾驶室行驶过程中扭杆对驾驶室地板始终有较大的扭矩作用，因此白车身地板前部在长期作用下容易产生疲劳开裂[3]，该问题是轻卡车型可靠性设计的难点之一，提升白车身的疲劳性能通常的方法为增加加强板[4]，此方法必然带来重量的增加。本文结合CAE分析方法对地板故障原因进行排查，并且制定优化方案，在几乎不增加重量的情况下，最终实现了白车身可靠性目标的达成，保证车辆使用寿命，消除使用安全隐患。
参考文献
[1] 王继光，汽车耐久性试验[J].科技创新论坛,2011(3).
[2] 黄天泽，黄金陵.汽车车身机构与设计[M]. 北京：机械工业出版社,
1997.
[3] 祝慧等，基于某轻卡白车身强度分析的翻转机构优化[J].汽车制造
业,2014 (5).
[4] 吴迪，某重卡脚踏板区域车身结构的优化设计[J].黑龙江生态工程
职业学院学报,2015 28(1).
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