试验·研究 | 某商用车保险杠本体开裂问题研究与改进

作者：刘婷婷 王蓉 刘佳雯 黄浩 赵周 李来 单位：上汽红岩汽车有限公司

摘  要：

针对某商用车型在可靠性路试过程中保险杠本体开裂问题，对保险杠进行了优化设计。利用CATIA软件和Hyperworks软件分别建立了保险杠3D模型和有限元仿真模型，通过模态和频率响应分析获得保险杠优化前后的模态和频率响应结果，确定了保险杠开裂的原因，并进行改进方案设计和验证。研究结果表明：通过动力学结构优化的方法可以解决保险杠开裂问题，对提高商用车的安全性具有参考意义。

随着汽车技术的不断完善，人们在追求乘车品质的前提下，越来越注重汽车的关键零部件性能能否满足相应的使用要求[1]。汽车在使用过程中受到多工况多激励载荷作用，而汽车保险杠作为汽车接触外界的第一道防护装置，其薄弱区域在多重载荷冲击下很容易发生开裂，因此，应确保保险杠具有足够的强度，以满足相应的装配及结构性能要求[2,3]。本文针对某商用车型在道路可靠性实验中出现了局部开裂的问题，通过有限元分析研究保险杠的振动特性，找到保险杠开裂原因，并对其进行优化改进，解决了保险杠在实验中开裂的问题。

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 保险杠本体开裂问题描述

某商用车在进行可靠性道路试验过程中，当车辆行驶到6700km时，试验样车保险杠本体产生局部裂纹，样车保险杠裂纹部位如图１所示。

图1 保险杠开裂部位

通过对保险杠裂纹进行初步分析，保险杠开裂可能由于材料成型过程中本身存在缺陷，或是受路面的振动激励的影响，具体原因需要通过有限元动力学仿真分析来进一步确定[4]。

02

 保险杠开裂仿真

2.1保险杠三维数模

保险杠主要由保险杠本体、保险杆支撑支架组成，CATIA数字模型如图2所示，保险杠各部件的材料属性见表1。

图2 保险杠CATIA数模

表1  材料属性

2.2保险杠有限元模型

保险杠分析模型采用壳单元模拟，单元网格尺寸为5mm。螺栓连接采用BAR单元模拟，两侧大灯用rbe3单元和MASS单元代替[5]，模型单元数379273，节点数114124，有限元模型如图３所示。   

图3 保险杠有限元模型

2.3保险杠有限元分析

对保险杠进行模态和频率响应分析，对车架端全约束，计算0-60Hz频率范围内的约束模态[5]。在车架截取段分别施加X、Y、Z共３个方向且大小均为1ｇ的加速度激励，输出.h3d 结果文件，运用Hyperview后处理软件查看保险杠的模态振型，以及保险杠骨架的频响应力云图分布和应力值大小[6]。前四阶模态分析结果云图如图４所示。不同频率下的应力云图如图５所示。

图4 模态振型结果

图5  频响结果云图从仿真结果来看，最大应力出现的地方与实验中保险杠开裂位置基本一致，表明建立模型是准确可信的。根据云图显示，保险杠本体在X向_1g和Z向_1g激励时，共振频率为16.39Hz，在开裂位置的应力最大达到了617.6Mpa，远远超过材料的屈服强度，且从保险杠的模态结果来看，16.39Hz是保险杠的弯曲模态，如果想优化保险杠的结构，需要提高保险杠的弯曲刚度。

03

 保险杠改进设计方案

3.1改进方案说明

通过保险杠的模态和频率响应分析，保险杠开裂的原因，主要是由于保险杠的第二阶弯曲模态与路面激励耦合的结果，为了增加保险杠的弯曲刚度，在前防护支架上安装一个支撑杆与保险杠本体焊接，如下图所示。

图7 改进方案

3.2优化方案结果分析 

对优化方案同样进行模态和频率响应分析，结果显示，保险杠的第一阶模态频率为26.68Hz，相比改进前有大幅度提升，且保险杠的弯曲模态并未单独出现，而是与局部模态同时出现在第四阶，模态结果云图如图8所示。

图8 改进方案模态振型结果

频率响应结果显示，在开裂位置，保险杠本体在X向_1g和Z向_1g激励时，共振频率31.5Hz，应力分别为148.6Mpa和152.2Mpa，小于材料屈服强度，满足强度要求，应力结果云图如图9所示。 

图9 应力结果云图

上述优化方案与原方案结果对比如表2所示。

表2  优化结果对比 

根据表2的分析结果，优化方案的保险杠开裂位置的应力值与原方案相比应力均有百分之40以上的降低，效果良好。

经评估，将改进方案制件进行了7000KM的道路可靠性实验，在实验结束时未发现保险杠开裂现象，说明该问题已经解决。

04

 结束语

保险杠开裂范畴属于是动力学，通过结合模态和频率响应分析可以有效的发现开裂原因，是解决此类问题的有效方法。利用计算机仿真技术进行保险杠振动分析研究可以完善结构设计，提高商用车的被动安全性。本文的建模与优化方法对解决保险杠开裂及类似问题具有实际指导作用和参考意义。

参考文献：

［1］熊强,蔡小石.某载货车前保险杠骨架开裂问题的分析及解决[J].汽车工艺与材料，2016(8):50-54.

［2］万银辉.铝合金汽车保险杠横梁的轻量化设计及其性能研究[D].长沙:湖南大学,2013. 

［3］许莹莹.基于低速碰撞和行人腿部保护的前保险杠系统研究[D].长沙:湖南大学，2011． 

［4］李金龙,胡鹏,马媛媛等.某商用车前保险杠开裂问题分析及优化[J],汽车实术，2017(19)-21.

［5］章春亮.有限元分析中的单元划分质量与计算精度[J],轻工机械,2012(1)：27-31.

（原载《西南汽车信息》2022年第10期）