朱楚才_某型CNG乘用车后底板焊点开裂问题的解决

Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 - 1 - 某型某型 CNG 乘用车乘用车后后底板焊点开裂问题底板焊点开裂问题的的解决解决 朱楚才 史建鹏 东风汽车公司汽车工程研究院 武汉 430058 摘要摘要： 在某型 CNG 乘用车研发过程中，路面耐久试验时后底板焊点出现了开裂现象。利 用 HyperWorks 软件进行仿真分析，并结合试验数据，快速的找到了故障原因，解决了焊点 开裂问题。 关键词关键词： HyperWorks，CNG，焊点，开裂 0 0 概述概述 随着我国汽车应用的逐步普及， 社会对燃油的需求量快速攀升， 燃油的价格也在不断上 涨。相对价格高企的燃油而言，廉价的天然气仍具有较大的价值优势，越来越多的出租车、 普通家用车选择改装 CNG 装置 （如图 1 所示） ， 将车辆变为汽油、 压缩天然气 （CNG， Compressed Natural Gas）双燃料汽车，以降低车辆的使用成本。CNG 是一种理想的车用替代能源，具 有成本低，效益高，无污染，使用安全的特点，其应用技术经过多年发展已成为一项成熟技 术。 为了更好的满足市场的这一需求， 主机厂对部分车型进行 CNG 适应性预先设计， 预留改 装端口（安装点、过孔等） ，方便消费者的后期改装活动。和专业改装机构的 CNG 改装方式 （一般会在后底板上增加一块较厚的大尺寸加强板，确保无钣金、焊点开裂问题）相比，主 机厂能做到用材更少，整车增重更少，且经过试验充分验证，其综合性能表现更佳。 图 1 乘用车 CNG 改装 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 - 2 - 1 1 问题描述问题描述 对于主机厂而言，在 CNG 改装环节，既要不增加车身重量（除 CNG 装置外，车身不增加 零件，成本不增加） ，又要确保 CNG 气罐安装点的强度问题，是一个棘手的问题。安装在行 李舱中的液化气罐通常为 65kg、80kg 或更重，这么大的集中质量对乘用车后底板钣金件是 一个挑战。 在某型乘用车改装 CNG 方案的研发过程中，该 CNG 方案按 80kg（含气罐、压缩天然气） 状态进行设计，对原车型不做任何加强，仅预留改装端口。在试验样车的测试阶段，8 万公 里道路耐久性试验 【2】项目在 7800 公里时发现后底板有焊点开裂现象，如图 2 所示。开裂发 生在后底板前横梁上， 该处为 3 层焊， 上两层钣金未开裂， 下层钣金 （即后底板前横梁钣金） 开裂。左前安装点附近 2 个焊点开裂，右前安装点附近 1 个焊点开裂。 然而，其它试验的样车并没有出现该现象，如 8 万公里当量里程四通道台架试验样车、 4 万公里道路制动试验样车等。制动试验在路况良好的市区环线进行，每公里制动一次。 查核 CAE 分析报告，计算结果表明各工况下，相关焊点应力较低，失效焊点部位均无开 裂危险。经进一步观察分析焊点开裂照片、实物后，发现该批试验样车 CNG 支架安装点的孔 位与设计定义不符，向后移了约 10mm，如图 3 所示。经过和试验部门沟通，了解到四通道 台架试验没有纵向、侧向载荷，仅有垂向载荷。这些信息为问题的解决指明了方向。 图 2 前安装点附近焊点开裂照片（左 2，右 1） 图 3 前排安装点孔位示意图 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 - 3 - 2 2 后底板焊点开裂数值模拟后底板焊点开裂数值模拟分析分析 样车出现的问题，引起了质量部门的担忧，设计方案的可行性受到了质疑，与此同时， 项目进度也受到了干扰， 该焊点开裂问题亟待解决。 为了快速找到焊点失效的原因并提出改 进建议，我们采取了仿真模拟方法，对 CNG 支架安装点附近焊点开裂问题进行有限元分析， 查找失效原因，寻找对策，并对原设计方案进行针对性验算，提出解决办法。 2.12.1 有限元有限元模型模型的的建立建立 利用 HyperMesh 软件， 按焊点开裂车 CNG 支架位置状态， 对后车体中的 CNG 装置进行了 模拟，CNG 支架采用壳单元，气罐及压缩天然气采用质量单元模拟，并与 CNG 支架通过 RB2 单元联接， 缓冲块采用实体单元进行模拟。 焊点采用 CWELD 单元进行模拟， 焊核直径为 6mm。 分析所用有限元模型如图 4 所示。 其中，后底板前横梁的材料为 DX54DZ，屈服极限约为 151MPa。 轮心点处约束所有平动自由度， 截面节点的自由度全约束。 载荷按各种工况的规定进行 加载，加载在气罐质心的质量单元上。采用有限元求解器进行计算。 图 4 后底板焊点开裂有限元模型 2.22.2 故障复现故障复现 在对常规工况（跳动、 转向、制动） 进行分析后，发现所获应力分布与试验状态均不符， 失效焊点未出现明显应力集中现象， 焊点不会失效， 这种结果与 8 万公里四通道台架试验和 4 万公里道路制动试验的结果相一致。 对比 8 万公里四通道台架试验（仅有垂向载荷）和 8 万公里道路耐久性试验的区别，尝 试采取复合工况分析，即同时含有垂向载荷、纵向载荷的复合工况进行分析。乘用车的纵向 极限前进加速度通常约为 0.2g，垂向极限加速度约为 3.5g，据此进行分析，得到了与开裂 现象相吻合的应力分布结果，如图 5 所示。 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 - 4 - 图 5 试验样车后底板前横梁复合工况应力分布云图 如图 5 所示，左侧、右侧开裂焊点处的应力均超过 110MPa，接近焊点设计许可应力。 由于模型与实物一致性的误差等未知原因，两侧各有一个未开裂焊点的应力接近危险水平， 可以忽略。 分析结果的应力分布与试验现象吻合较好，本文认为该焊点开裂问题可能正是由该跳 动、加速复合工况引起初始裂纹，并经疲劳扩展而形成开裂的。 2.32.3 解决对策解决对策与试验验证与试验验证 为了验证 CNG 方案的可行性，对设计状态进行了复合工况分析。如图 6 所示，设计状态 后底板前横梁在复合工况下，焊点未出现明显应力集中，且最大应力低于 70MPa，按经验该 数值处于安全水平。 图 6 设计状态后底板前横梁复合工况应力分布云图 与试验样车状态相比，设计状态通过螺栓联接 【3】传力到最下端的后底板前横梁，而样 车状态通过焊点传力到最下端的后底板前横梁， 这可能是发生焊点开裂的根本原因， 见图 3。 表 1 数据对比分析 工况 设计状态仿真结果 试验状态仿真、参考试验结果 焊点应力/MPa 焊点应力/MPa 可参考验证的试验项目、结果 跳动 40 85 8 万公里四通道台架试验 OK 制动 60 95 4 万公里制动试验 OK 复合工况 70 110 8 万公里道路耐久试验 NOK Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 - 5 - 如表 1 所示， 根据两个状态模型的仿真分析的对比， 结合可考核对应工况的试验项目的 试验结果，认为 CNG 设计方案是合理可行的，不需要做改进，但建议严格控制试验样车的 CNG 改装工艺质量，保证 CNG 装置安装孔位的准确性。项目组采纳了 CAE 分析建议，并采取 打孔工装保证试验样车的 CNG 装置的安装孔位的准确性。 经过 3 个多月的路面试验， 按设计状态新装配的样车顺利通过了 8 万公里道路耐久性试 验，验证了所做分析和判断是及时的、正确的。 3 3 结论结论 通过该项目的实践表明， 乘用车 CNG 改装不仅需要注重 CNG 气罐安装点的开裂问题， 同 时也要关注潜在的相关焊点开裂问题。 该焊点开裂问题的解决， 为通过焊点的应力水平预判焊点开裂问题， 提供了有益的参考 和借鉴。 4 4 参考文献参考文献 1 HyperWorks Help Documents 280000 公里试验规范，东风汽车公司内部资料 3螺栓联接建模方法研究，东风汽车公司内部资料 The Solving of Welding Points Crack in the Rear Bottom Plane of the CNG Car Zhu Chucai Shi Jianpeng Abstract: In the research and development process of some CNG car, welding points of rear bottom plane have been found cracked in road durability test.With simulation analys