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某型CNG乘用车后底板焊点开裂问题的解决 |
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作者：朱楚才 史建鹏 |
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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： HyperWorks，CNG，焊点，开裂
0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。
1 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。
2 后底板焊点开裂数值模拟分析
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。
2.1 有限元模型的建立
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。
2.2 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。
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。
2.3 解决对策与试验验证
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。
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 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。
4参考文献
[1] HyperWorks Help Documents
[2]《80000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(end)
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(12/31/2013) |
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