河北中興汽車制造有限公司針對(duì)車架橫梁中部開裂的質(zhì)量問題，采用有限元分析技術(shù)，建立了BQ5021車型車架的有限元模型，對(duì)車架橫梁的實(shí)際受力情況進(jìn)行模擬分析，并提出了改進(jìn)方案，為汽車質(zhì)量改進(jìn)及優(yōu)化提供了一條簡單而行之有效的方法。
車架作為汽車的承載基體，支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器和車身等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力及力矩。為此，車架應(yīng)有足夠的剛度，以使裝在其上的相關(guān)部件的相對(duì)位置在汽車行駛過程中保持不變，并保證車身的變形最??；車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，尤其是車架的縱梁、橫梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂，以保證其有足夠的壽命及可靠性。車架作為汽車的基礎(chǔ)部件，受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無法用簡單的數(shù)學(xué)方法對(duì)其各部分的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，而采用有限元分析即可對(duì)車架的靜強(qiáng)度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析，從而使車架設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)入到科學(xué)設(shè)計(jì)階段。
有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多有限元（集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元）的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。常用軟件為hypermesh。
河北中興汽車制造有限公司（以下簡稱為“中興汽車”）BQ5021車型投放市場(chǎng)以后，由于此車型是教練車，開車的都是學(xué)員，部分駕校反映行駛里程6 000km以后車架的第三橫梁出現(xiàn)開裂，并且維修補(bǔ)焊后，仍有開裂現(xiàn)象。中興汽車為了提高整車質(zhì)量，達(dá)到此特殊用戶的使用要求，主要針對(duì)車架第三橫梁中下部開裂的故障，采用有限元分析技術(shù)仿真第三橫梁實(shí)際受力情況，對(duì)影響第三橫梁性能的參數(shù)進(jìn)行仿真分析，并提出了改進(jìn)方案。
建立有限元模型
BQ5021車型是在原來BQ1021的基礎(chǔ)上更換變速器總成，并重新設(shè)計(jì)了車架第三橫梁和前懸架系統(tǒng)。該車型前懸架為扭桿式雙橫臂獨(dú)立懸架，車架第三橫梁上所受的載荷有變速器懸置給橫梁向下的壓力、扭桿彈簧座和調(diào)整螺栓的壓力。因主要分析對(duì)象為第三橫梁，只建立了該橫梁的模型以及與之相連接的部分車架縱梁，首先在三維軟件（Unigraphics）中完成零部件的三維造型和裝配。
然后導(dǎo)入到hypermesh軟件中，建立有限元模型：采用二維四面體和三面體網(wǎng)格單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。為保證單元質(zhì)量檢測(cè)合格，將車架鋼板之間的焊縫假設(shè)為剛性連接單元，如橫梁上下板之間、縱梁內(nèi)外板之間；將螺栓連接單元也假設(shè)為剛性連接單元，如橫梁和縱梁之間、橫梁和變速器支架之間的連接螺栓。
邊界條件的建立：主要針對(duì)極限工況即前懸架中上下擺臂跳至最高位置的狀態(tài)，將圖1所示的4個(gè)位置的節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度固定，加載到變速器支架孔中心位置的力為1 000N，扭桿中心位置的扭力矩為2 910Nm。
圖1 加載的有限元模型
計(jì)算與結(jié)果分析
將以上的有限元模型提交到hyperworks求解器中進(jìn)行計(jì)算求解，并查看分析結(jié)果，應(yīng)力云圖（見圖2）顯示，發(fā)生開裂問題處的單元的應(yīng)力為450MPa，車架橫梁的材質(zhì)為熱軋高強(qiáng)度鋼板B510L（該型號(hào)鋼板的屈服強(qiáng)度為355MPa，抗拉強(qiáng)度為510～610MPa），很明顯實(shí)際工況鋼板的受力情況比較惡略，超過了材料本身的屈服強(qiáng)度，在前懸架上下擺動(dòng)時(shí)，尤其是處于滿載以上位置時(shí)，極易發(fā)生第三橫梁開裂的質(zhì)量缺陷。
圖2 改進(jìn)前第三橫梁應(yīng)力云圖
制訂優(yōu)化方案并理論驗(yàn)證
優(yōu)化的主要目的：加強(qiáng)第三橫梁中部位置，降低鋼板的最大應(yīng)力，從而提高車架的使用壽命。改進(jìn)方案：在第三橫梁的上下板之間焊接襯管，同時(shí)增加支架與橫梁的連接螺栓的長度。
改進(jìn)后第三橫梁的應(yīng)力云圖如圖3所示，原來發(fā)生開裂問題的位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)力降為284MPa，小于材料B510L的屈服應(yīng)力，優(yōu)化方案有效。
圖3 改進(jìn)后第三橫梁應(yīng)力云圖
結(jié)語
針對(duì)以上采取的方案，中興汽車和配套廠家一起進(jìn)行了樣件的制作，并進(jìn)行了樣件的裝配驗(yàn)證和3個(gè)月的市場(chǎng)驗(yàn)證，使故障里程由原來的6 000km提高到30 000km以上。根據(jù)最新售后信息分析，此質(zhì)量問題已得到解決。
應(yīng)用有限元分析技術(shù)解決零部件的質(zhì)量問題，查找原因直觀、方便且快捷，尤其是汽車底盤強(qiáng)度方面的質(zhì)量問題，其優(yōu)越性更為顯著。
（轉(zhuǎn)載）
