车身件强度失效问题的解决方案

大洪

　　汽车结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最为广泛的。本文以某发动机悬置支架为例，从CAE仿真应用角度结合理论分析和工程实践，给出了解决车身强度问题的方法和思路。
　　强度分析理论
　　车身构件强度失效的主要形式是出现屈服现象，即出现塑性变形。相应的强度条件为：
　　

　　要评价车身某个部件是否失效，只要确定危险点的应力状态σmax、该工况的安全系数n和材料的屈服极限σs即可。显然，后两项是可以通过手册和经验给出的，惟一需要确定的就是σmax。对于以钢为主要材料的车身部件，采用材料力学中的形状改变比能的强度理论能较全面且真实地评价复杂应力状态下部件是否失效。该理论假设无论什么应力状态，只要形状改变必能（uf）达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生屈服。其计算结果与几种塑性材料（如钢、铜和铝等）薄管试验资料相吻合。适用于车身件的强度分析，其数学表达为：
　　

　　车身强度失效分析实例
　　在此，我们以某轿车发动机右侧悬置支架作为分析对象，建立车身前部有限元分析模型（见图1）。该模型中包含节点211068个，单元220366个，其中焊点单元使用Nastranr中的“CWELD”进行模拟。
　　

　　计算工况的确定：主要考察该支架在汽车上跳、制动和转向时能否承受发动机的负荷，相关的量值已通过ADAMS?软件计算得出（见表1）。
　　

　　将其反力作为输入，添加到发动机悬置的3个支撑点，使用Nastran求解后，我们选用上文提到的形状改变比能法查看构件的σmax，分别为237.1MPa（Bump Up工况，见图2）、71.2MPa（Braking工况）和36.8MPa（Cornering工况）。由于所分析工况均为疲劳工况，按照经验设定安全系数n=1.75，进一步求出材料的许用应力[σ]=120MPa。使用公式（1），对比后发现Bump Up工况下的应力值严重超标。下面我们将针对该工况进行讨论，探索强度失效问题的一些解决方案。
　　

　　图2 HyperView查看Bump Up工况应力云图
　　车身强度失效解决方案
　　要想彻底解决强度问题，就应该从强度评价准则入手，找寻突破口。公式（1）给出了一些思路，要么提高材料许用应力，要么降低构件的最大应力，进一步可以推论出以下三种解决方案：
　　1.方案一：提高材料的屈服极限σs，进而提高许用应力
　　显然，这是最简单也是最有效的方法。使用高强度的钢材不仅能提高构件强度，同时也是解决轻量化问题的一个有效途径。为了适应汽车轻量化的要求，应对接其他轻质汽车材料的挑战，20世纪90年代起，世界各著名钢厂联合开展了超轻钢汽车车身项目（ULSAB），其样车车身应用高强度和超高强度钢板比例大于90%，其中又有50%采用激光拼焊钢板，并配以液压成形技术，车身结构比同类车型的平均水平减重25%，车身抗扭和抗弯刚度分别提高80%和52%。由此可见，高强度材料的引入将起到事半功倍的效果。具体到本文这个例子，如果支架采用DP500这种先进高强度钢板（AHSS），其许用应力[σ]为400MPa，强度失效会顺利解决。但是，现实中采用高强度钢要受利润空间、工艺加工条件等其他因素制约，因此还需综合考虑。
　　2.方案二：降低安全系数n，同样为了提高许用应力
　　安全系数法所涉及的是汽车可靠性方面的研究。传统的安全系数法借助经典材料力学公式来计算机械零件的应力值，进而求出该材料的安全系数值。其特点是将载荷、应力和尺寸等因素视为常量，安全系数的大小根据以往设计经验确定。目前，这种方法仍较广泛地应用于机械产品设计中。但是，由于其未考虑截面上应力分布的不均匀性、截面变化处的应力集中、表面粗糙度的影响、加工的残余应力以及零件尺寸大小等因素，设计者只能选择一个加大的安全系数来保证设计的可靠性。显然，确定一个更加合理、有效的安全系数作为强度分析指标，将对优化设计和减重分析起到重要作用。目前，有关的研究正在开展，出现了诸如基于概率事件的可靠性分析法和综合分析法。前者将应力分布、强度分布和标准差等设计参数作为随机变量予以考虑，从而比较真实地反映了工程实际，使产品设计更经济、更安全且更可靠；但由于此方法是基于大量统计样本的基础上，因此其真正推广还有待时日。综合分析法是将制造工艺的影响，如冷塑硬化、残余应力等，引入到结构分析中去，提高结构分析精度，于是就可以使用相对较低的安全系数值进行评价，该方法的瓶颈在于能否对工艺过程进行准确仿真。鉴于上述方法还处于研究阶段，本文中选取的安全系数还是基于传统方法，考虑此支架所受疲劳载荷，根据经验选择了相对保守的数值。
　　3.方案三：降低构件的σmax
　　这里的降低部件σmax是一项十分复杂的工作。我们知道车身构件所受外力不是某个规则方向的，而往往是任意方向（如本例中Cornering工况，F与x轴成86.1°，y轴成61.1°，z轴成29.2°），这就决定了构件在此外力下的变形形式为组合型。所以，要改善其应力状况，也就是要合理引导变形，经过长期工作实践，我们总结出了以下几种方法：
　　（1）基础篇――改变料厚
　　改变料厚的实质是增加构件自身刚度，增强抗变形能力，进而达到改善应力状况的目的。为了研究厚度对结构性能的贡献，我们做了一个简化模型加以说明（见图3）。
　　

　　图3 厚度对强度影响分析
　　相应的计算结果如表2所示，通过对比我们可以发现：厚度增加对结构强度有一定贡献，尤其对厚度方向贡献最大。再回到本例中的悬置支架，如果将其厚度由2.0mm增加到3.5mm，强度问题就可以解决（见图4）。但采用此方法应注意协调空间结构、重量限制等要求，不能顾此失彼。
　　

　　

　　（2）进阶篇――改变连接关系
　　对于车身构件来说，连接关系的变更意味着力的传递路径被改变了，进而影响了构件受外载后的变形姿态。工程中最常见的应用，就是当某焊点周围存在高应力时，我们会在符合工艺要求的前提下在其附近适当添加焊点，以期分解外力，改善构件受力条件。本例中为了改善图2圆圈所示位置的高应力，去除折弯处的一个焊点（图5所示位置），释放该处约束，改善支架变形状态。最终得出的最大应力为191.9MPa，比最初结果降低了19%。
　　

　　（3）高级篇――改变结构形式
　　之所以将其称为高级篇，是因为结构形式的变更除满足强度需求外，还受设计、工艺等要求的制约，实为理论与实践紧密结合、多学科综合交叉互动的复杂过程。大量的工程经验是非常必要的。从根源上讲，其精髓归结起来就是四个字“见招拆招”。如本文中的支架，其左侧加载点距离边界较近，进而导致边界处受拉产生较大应力，通过与设计部门沟通，将边界位置圆角适当加大，强度问题有所改善。另外，对于某些薄弱位置，我们还可以采用局部加强的方案，如局部采用加筋改善刚度，局部用加强件等（见图6），均可在一定程度缓解强度失效问题。当然，如前面所述，结构的改变涉及很多方面，要有法有度，这样才能真正解决工程问题。最终结果对比详见表3，在以上各种方法的综合作用下，支架强度问题得以顺利解决，目前实车验证未产生问题。
　　

　　

　　图6  （从左至右、从上到下）修改圆角示意，
　　添加加强筋示意，局部加强件示意，最终应 力云图
　　

　　结语
　　“CAE Lead Design”一直是CAE人的梦想，但真正要做到主导设计还有许多工作要做。当今的中国在CAE领域虽然起步较晚，但起点却比国外同行高很多，就汽车工程而言，已涵盖了结构、安全、流场、噪声、加工制造、耐久性和动力学等多个领域。相信只要所有的CAE工程师都能不断积累，不停开拓，“CAE Lead Design”是指日可待的!(end)
　　

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大神请教下，“我们选用上文提到的形状改变比能法查看构件的σmax，分别为237.1MPa（Bump Up工况，见图2）、71.2MPa（Braking工况）和36.8MPa（Cornering工况）。”中状改变比能法是什么方法，这三个值怎么求出来的

qichelaochen

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云蒍

好文章，学习了。