孟兵，胡啟龍，蔡明，夏軍民，張路

（1.南京汽車集團公司汽車工程研究院，江蘇南京210028；2.南京依維柯汽車有限公司,江蘇南京210028）

輕型卡車作為運輸各類生產資料和勞動工具的重要載體，以其環(huán)境適應能力強、承載超載能力強、機動靈活、工作快捷高效的特點，成為商用車領域最暢銷的產品之一[1]。為了提高市場占有率，公司在“G”系列普通輕卡基礎上開發(fā)了針對山區(qū)、丘陵地帶等道路不便地區(qū)的新產品。該產品為提高復雜路況的適應性，在整車設計上進行了減震、防沖擊等處理措施，以適應復雜路況的挑戰(zhàn)。

為了更好地驗證產品性能，公司將產品路試標準進行了相應提升。產品在路試中經受了更多挑戰(zhàn)，反饋回一些設計驗證初期未出現的質量問題。其中，散熱器面罩開裂問題尤其嚴重，對整車美觀性及車輛安全性均造成重大影響。按照產品道路試驗標準要求，通過改善車身工藝及車身設計結構等措施，對出現的散熱器面罩開裂問題進行改進，徹底解決該質量問題。在項目改進實施后，通過實車路試驗證改進措施的有效性。

1 散熱器面罩開裂問題分析

1.1 散熱器面罩開裂問題產生

由于產品上市之后的路況條件極其險峻，為了更好得驗證產品可靠性，公司將產品路試標準進行了相應提升，將可靠性路試總里程從10000 km 增加為20000 km，強化路路試里程從6000 km 增加為7000 km。經過磨合、高環(huán)、城市道路、場內山路等階段路試，強化路里程達到6700 km時，散熱器面罩機罩鎖區(qū)域發(fā)生開裂問題，開裂情況見圖1。

圖1 散熱器面罩開裂

如圖1所示，在路試中散熱器面罩安裝機罩鎖區(qū)域開裂較為嚴重?？拷i孔處的2個焊接螺栓周邊板材形成的裂紋已經連通，其中外側位置處裂紋呈現放射狀，面罩外板折彎處出現裂紋。整個開裂狀態(tài)呈現巨大的T 字形。如果車輛在同等路況下繼續(xù)運轉，散熱器面罩安裝機罩鎖區(qū)域有發(fā)生整體斷裂的可能，機罩鎖甚至可能發(fā)生躥動，給行車安全造成巨大隱患。

1.2 散熱器面罩CAE分析結果

針對散熱器面罩出現的開裂問題，需要從工藝、材料、結構等方面入手，綜合分析開裂的原因。從該件尺寸方面來講，面罩框外板與左右側圍外板直接相連，采用HR380F 鋼板一體成型方式，Y向尺寸比較大，但其料厚為1.0mm，造成彎曲剛度較差；從工藝方面來講，安裝機罩鎖斷面處工藝缺口尺寸較大，降低了散熱器面罩外板的抗彎強度；從安裝方式來講，散熱器面罩上由于裝有機罩鎖，整個發(fā)動機罩前側全部靠面罩卡位，而發(fā)動機罩重量較大，對面罩框中部產生巨大的交變應力。針對該問題，必須進行有限元分析，模擬車輛運行時散熱器面罩的工況，研究開裂區(qū)域的應力狀況，找到導致開裂的原因。

在有限元分析時建立更加精確的前處理模型，優(yōu)化模型邊界條件，用線性靜力計算方法對開裂區(qū)域進行工程分析[2]。前處理網格劃分采用Hypermesh軟件，后處理應用MSC NASTRAN軟件[3]。因為車身為鈑金件，散熱器外板在網格劃分時按照殼體單元進行，在機罩鎖安裝孔區(qū)域附近單元劃分需要詳細一些，單元尺寸0.5 mm左右，而原未開裂部位單位尺寸控制為2 mm左右。散熱器面罩外板材料HR380F 泊松比為0.3，彈性模量為260 GPa，密度為7830 kg·m-3。邊界條件：約束車身截面所有自由度，約束面罩板中間位置的所有自由度，如圖2所示。載荷：在散熱器面罩外板位置施加Z+方向700 N的力（圖3）。CAE分析結果如圖4所示。

圖2 散熱器面罩開裂

圖3 施加載荷

圖4 散熱器面罩開裂CAE分析結果

CAE分析結果表明，在3G重力場靜載工況下，散熱器面罩機罩鎖區(qū)域由于工藝缺口等原因導致存在局部應力集中現象，其中開裂區(qū)域周邊應力極值達到441 MPa。而散熱器面罩外板材料為HR380F，屈服強度僅為380 MPa，遠遠低于計算應力值。從圖4可以看出，機罩鎖鎖孔周邊是應力集中的核心區(qū)域，危險區(qū)域直接延伸到右側機罩鎖2個安裝孔處。在大片區(qū)域內，散熱器面罩受到的最大應力遠遠超過了自身材料的屈服極限，在受到較大應力作用下出現開裂問題。

2 散熱器面罩開裂改進方案

針對出現的質量問題，需要從導致開裂的原因入手，針對性地制定解決方案，包括優(yōu)化開裂件結構、增加加強件、改進零部件加工工藝等；采用優(yōu)化應力集中區(qū)域周邊焊點數量及位置的辦法，不需要增加投入，現生產可操作性好[4]。在散熱器面罩機罩鎖開裂區(qū)域增加鈑金加強板的改進辦法，只需要新開發(fā)加強板自身，開發(fā)后期工裝改進量也比較小，改進成本相對較低。但是，由于散熱器面罩上固定了前照燈、喇叭等器件，零件結構改進會造成大范圍零部件設計更改，改進成本比較高，周期也很長，采用優(yōu)化結構的辦法可行性較差。

2.1 焊點優(yōu)化方案

該型車散熱器面罩主體為內骨架外覆蓋件的結構形式，其中散熱器面罩外板為一體化成型，與散熱器內骨架焊接總成在邊緣處均勻點焊。由于兩者合成時只通過點焊連接，焊點的數量和位置對散熱器面罩總成的應力狀態(tài)影響較大。散熱器面罩在車輛振動工況下，應力分布不均，面罩外板機罩鎖安裝區(qū)域應力集中明顯，在交變載荷下容易發(fā)生疲勞破壞導致零件開裂。因此，可以從增加焊點數量和優(yōu)化焊點分布等方面，提出緩解應力集中的措施。該方案針對性較強，工藝實現簡便，可以較快的應用于現生產。

如圖5所示，在散熱器面罩總成中部區(qū)域，散熱器外板與內骨架進行焊接時，加密機罩鎖固定區(qū)域周邊焊點密度，在兩側焊接接合處增加4個焊點。該方案能有效限制零件微小形變，緩解應力集中。該方案不增加成本，簡便易行。

圖5 散熱器面罩焊點優(yōu)化方案

2.2 增加散熱器面罩加強板方案

針對出現的散熱器面罩開裂問題，增加鈑金加強板件是一種較為直接、有效的解決措施。由于散熱器面罩外板Y向尺寸過大，中間部位存在工藝缺口導致應力極值超過材料強度極限，該措施能通過局部加強方式，增加應力集中區(qū)域抗彎強度，緩解應力集中現象[5]。因此，可以把增加散熱器面罩加強板作為重要的解決思路應用于問題改進。由于散熱器面罩加強板可以應用于不同部位，產生的加強效果也有較大差異，所以需要對該方案進行差異化設計與分析。

2.2.1 熱器面罩加強板外置方案

由于散熱器面罩外板內側為焊接面，需要與內骨架進行焊接，因此，受結構空間所限，散熱器面罩加強板可以放置于散熱器面罩外板外側。該方案的優(yōu)勢在于此部位沒有其他零部件干涉，加強板可以覆蓋全部機罩鎖固定區(qū)域，能夠達到較好的加強效果。該加強板能夠通過增加加強筋和設置翻邊，增加整體抗疲勞強度。具體設計方案如圖6所示。

2.2.2 散熱器面罩加強板內置方案

散熱器面罩外板與骨架焊接合成時，在中部機罩鎖區(qū)域形成的內槽空間較大，用于安裝機罩鎖。散熱器面罩加強板可以做成階梯狀，焊于散熱器面罩外板的內側，上部采用三層焊，下部為兩層焊。機罩鎖安裝于加強板上。這樣的加強方案可以更好的利用空間，并且對外觀不產生任何影響。在現生產中，利用現有工裝傾斜角度，首先對下部兩層焊點進行焊接，然后焊接上部三層焊點部位。具體設計方案如圖7所示。

圖6 散熱器面罩加強板外置方案

圖7 散熱器面罩加強板內置方案

3 散熱器面罩改進措施有限元分析

在前期問題CAE分析基礎上，從導致問題產生的原因入手，制定了開裂問題解決措施。焊點優(yōu)化方案是在現有生產條件下進行的改進，優(yōu)化焊點位置能改變應力在散熱器外板上的分布，緩解局部應力集中狀態(tài)。增加鈑金加強件方案，能針對性的增加機罩鎖斷面處抗彎曲疲勞強度，解決由于工藝缺口原因導致的局部應力過大狀況，對交變載荷作用下的疲勞破壞也有較好的抵抗作用。這兩種方案共同作用，作為綜合性解決措施，對散熱器面罩應力提升意義重大。因此，整改分析時進行了組合式設計，制定了兩組差異化改進措施。

在改進措施確定后，必須重新模擬車輛運行時散熱器面罩的工況，分析開裂區(qū)域最新應力狀況，對方案有效性進行研究。在重新優(yōu)化數據前處理模型后，應用相同的邊界條件，在同樣的位置施加相同的載荷值進行計算。

3.1 改進措施

改進措施1 采用優(yōu)化焊點方案和散熱器面罩加強板外置方案。對改進后的狀態(tài)進行有限元分析，分析結果如圖8a所示，此時開裂位置處最大應力值為325 MPa。

改進措施2 采用優(yōu)化焊點方案和散熱器面罩加強板內置方案。對改進后的狀態(tài)進行有限元分析，分析結果如圖8b所示，此時開裂位置處最大應力值為350 MPa。

圖8 改進措施CAE分析結果

3.2 改進措施比較

有限元分析結果對比如表1所示，2種改進措施與原狀態(tài)相比，均能起到良好應力改善效果：改進措施1相比原狀態(tài)，應力值下降26.3%，最終原開裂區(qū)域的應力極值為325 MPa，小于最大應力標準350 MPa；改進措施2 相比原狀態(tài)，應力值下降20.6%，最終原開裂區(qū)域的應力極值為350 MPa，滿足最大應力標準350 MPa。

改進措施1采用的面罩加強板外置方案，與改進措施2采用的面罩加強板內置方案相比，改進應力效果具有優(yōu)勢，但是這種方案需要在車身正面位置“打補丁”，對外觀產生負面效應，進而可能影響用戶的購買欲望；另外，該方案需要為增加加強板制作獨立的工裝、夾具，不符合降本原則。而改進措施2恰好達到了應力要求標準，并且應力最大值遠離了原開裂區(qū)域，這種改進措施也可以確保不再發(fā)生開裂問題。因此選擇改進措施2，采用優(yōu)化焊點方案和散熱器面罩加強板內置方案作為該車型散熱器面罩開裂問題的改進措施。

表1 有限元分析結果對比

4 結論

針對公司產品車在道路實驗中出現的散熱器面罩機罩鎖安裝區(qū)域開裂問題，分別從工藝、材料、結構等方面入手，分析了可能導致開裂的原因[6]。并且在有限元分析的基礎上，從導致應力集中的因素入手，制定了針對性的解決方案，包括焊點優(yōu)化方案和焊接加強板方案。

本文中設計了2套改進措施，以焊點優(yōu)化方案和散熱器面罩加強板外置方案為改進措施1；以焊點優(yōu)化方案和散熱器面罩加強板內置方案為改進措施2。通過模擬車輛運行時散熱器面罩的工況，分析在兩種改進措施下開裂區(qū)域最新應力狀況，對改進措施可行性進行研究，并選擇其中更好的改進措施作為改進方案。

由有限元分析可得，2種改進措施與原狀態(tài)相比，均能起到良好應力改善效果，滿足散熱器面罩應力要求標準。但是改進措施1 對外觀可能產生負面效應，而改進措施2 既能滿足應力要求標準，又對外觀不產生任何影響，工裝投入較少。因此，選擇改進措施2，即采用焊點優(yōu)化方案和散熱器面罩加強板內置方案作為該商用輕型卡車散熱器面罩開裂問題的整改措施。

改進措施在2014年第1 季度完成實施。在整改完成后，根據NJ2004-2006汽車整車產品綜合評價方法，對實施了改進措施的樣車重新進行了路試，路試后散熱器面罩未出現開裂問題。

[1]左小勇.輕型卡車市場營銷策略研究[D].淄博：山東理工大學，1998.

[2]熊珍兵，羅會信.基于HyperMesh的有限元前處理技術[J].排灌機械，2006，24（3）：35-38.

[3]劉吉明，雷剛，廖林清.車門靜態(tài)剛度的有限元分析[J].重慶工學院學報，2008，22（9）：25-28.

[4]曾慶洋.商用車駕駛室白車身焊點布置及疲勞壽命分析[D].吉林：吉林大學，2011.

[5]原喜斌.輕型客車背門外板開裂問題分析研究[D].吉林：吉林大學，2011.

[6]賴揚品，周俊霖.微型貨車車身開裂改進設計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2010（16）：34-36.