某车型侧门框开裂问题的研究和改进

黄霞，罗寥，候路（东风汽车股份有限公司商品研发院，武汉430057）

某车型侧门框开裂问题的研究和改进

黄霞，罗寥，候路
（东风汽车股份有限公司商品研发院，武汉430057）

针对某车型侧门框钣金疲劳开裂的问题，本文通过CAE仿真分析和应力应变测试，并结合车辆实际生产及使用情况，找出了门框钣金开裂的根本原因及解决方案，阐述了该问题的研究思路和方法。改进后的方案通过了道路试验验证。

侧门框； 开裂；结构优化

在车身轻量化过程中，随着功能设计向性能设计的转变，很容易出现白车身强度不足的问题。其中，车身开裂严重的影响了车辆的寿命和使用舒适度。如果是外覆盖件开裂，还会影响车辆的品牌形象及用户满意度。造成白车身开裂的原因很多，设计、成型工艺、焊接质量、使用路况、气候环境及用户使用习惯等都有可能成为开裂的因素之一。

由于白车身开裂的随机性，要找到开裂的根本原因非常困难。本文所研究的车型，故障现象位于侧门框上部前后角外板搭接处，内部为空腔结构，多层钣金配合，开裂原因复杂，问题比较典型。本文通过对设计、分析、改进到验证整个过程的研究，找出了门框钣金开裂的原因及解决方案，也为以后其它同类问题的研究提供了一个参考依据。

1　问题描述

该开裂问题主要出现在某批营运客车上。车辆用于短途运输，行驶路面为国道，路况较好，初次市场故障里程约30000～40000km，开裂位置为侧门框上部前后角外板搭接处，其中后角部开裂现象比前角部严重。具体故障模式见图1：

2　原因分析

车身在动态行驶过程中，需要承受多种载荷，这导致白车身的受力状态非常复杂，确定开裂根源比较困难，很难总结出定性的规律。以下分别从设计、CAE分析、试验测试、生产现状及车辆使用状态几个方面进行分析。

2.1结构设计状态说明

车身开裂处位于侧门框上方中外板与前、后外板搭接处，内部为空腔结构，具体见图2：

2.2CAE分析

在HYPEMESH软件中对车身数据模型按10x10mm的尺寸划分网格单元，分析弯曲和扭转两种工况下开裂部位的强度。在弯曲工况下，前端约束前悬架安装处，后端约束板簧安装孔，对地板施加Z向均布载荷（座椅和人的重量）。在扭转工况下，前端约束左、右前悬架安装处中点，后端约束板簧安装孔，对左、右前悬架安装处中点施加绕X轴转矩（1.03e+7 N.mm）进行加载。所有约束点均约束X、Y、Z三个方向的平动及转动共6个自由度。设计状态CAE分析结果见图3：

DX54D材料的抗拉强度≥270MPa，屈服强度为140 MPa 。CAE分析结果表明，按照原设计状态，开裂部位最大应力发生在扭转工况下，为48.3 MPa，远小于材料的屈服强度，不会发生开裂现象。

2.3试验测试

为了分析开裂产生的原因，了解开裂部位的应力水平，对车辆在石块路、搓板路一、搓板路二及丙扭曲路四种工况下的应力应变值进行了实车试验［1］。试验采用单向应变片，应变片的粘贴方向由试验人员根据对车辆的主观评价并结合实际经验进行确定。应变片的粘贴位置见图4，测试结果见表1：

从表1测试结果可以看出：

1）四种工况下前上角#1点的应力应变值均大于#2点；

2）四种工况下后上角#4点的应力应变值最大；

3）四种工况下后上角#3点的应力应变值均大于#5点；

4）#1点、#2点在石块路和搓板路上应力应变值较大，#3点、#4点、#5点在搓板路和丙扭曲路上应力应变值较大；

5）都没超过材料屈服强度，说明是疲劳造成的开裂［2］ ［3］。

2.4生产现状

在实际生产中，由于焊接时工装夹具及工人操作因素的影响，产品生产状态与设计状态存在一些差异，具体体现在以下两个方面。

1）侧门前、后上角部在实际焊接时，由于夹紧机构的影响，导致焊钳空间不足，造成焊点数量与设计不符，具体见图5。#1和#3位于曲面上，由于点焊后外表面熔坑太深，超过了料厚的20%，影响外观质量［4］，实际没有焊。#5由于焊钳操作空间不足，实际没有焊。

表1　应力应变测试结果

2）侧门前、后上角部加强板在实际生产时，没有规范施涂结构胶，导致加强板与外板间局部存在间隙，没有有效连接。具体见图6：

按照实际生产状态，对侧门框进行CAE仿真分析，约束条件同前，具体分析结果见图7：

CAE分析结果表明，门框后上角最大应力发生在扭转工况下，为117.2 MPa，已经接近材料的屈服强度，存在疲劳开裂的风险。门框前上角的最大应力为82.7 Mpa，发生在弯曲工况下，也存在一定风险。

2.5实车状态

通过对故障车辆实际使用情况进行调查，发现车辆行驶路况较好，与其它未开裂车辆主要差异在于侧滑门使用过于频繁，再加上侧滑门开启机构自身的原因，车门开启不畅，开关门力较大，尤其是车门完全开启的瞬间，对侧门框后上角的冲击较大，导致侧门框上部钣金疲劳损伤，加剧了开裂问题的发生。

2.6原因汇总

通过上述分析，不难看出，影响侧门框上角开裂的原因主要如下：

1）由于生产中#1、#3、#5点缺焊，导致侧门框上方前后角强度不足，造成车体开裂，这与表1试验测试中#1、#3点应力应变值较大是吻合的。

2）由于后上角加强板尺寸较小，尤其是与后外板配合面积小，且涂胶不均匀，导致后上角强度不足，外板搭接处两边受力不均，后端应力偏大。此外由于结构胶为液状，需要经涂装高温固化后才能起作用，如果两层板型面不贴合，存在间隙，即使涂了结构胶，也不能起到完全结合的目的，导致连接强度不足。这与表1在试验测试中#4点应力应变值急剧增大是吻合的。

3）由于侧滑门开关不畅，加剧了侧门框开裂问题的发生。由于侧门全开瞬间对车体的冲击，后上角受到的外界冲击力要大于前上角。

4）由于上述第2）、3）条的原因，导致后上角开裂程度比前上角严重。

3　解决方案

根据上述分析，从多个方案中选择了以下两个改进方案进行重点分析，具体见表2：

3.1新方案CAE分析结果

按前面采用的约束条件对改进方案进行CAE仿真分析，分析结果分别见图8、图9和表3：

从表3可以看出，相对实际生产状态，方案1后上角在扭转工况下最大应力还有91.9 Mpa，改善不明显。方案2则明显优于方案1，应力值最少下降了46.1%，最多下降了85%，改进后后上角开裂处最大应力只有17.6 Mpa，前上角开裂处最大应力只有22.6 Mpa，比原设计状态应力还要小，远小于材料的屈服强度140 MPa。

3.2试验验证结果

按照上述改进方案分别试制了2台车，进行了3000km凸凹不平坏路整车道路可靠性试验（其中石块路1722km，搓板路124km，丙扭路37 km，长波路124 km，连接路993 km），折合市场里程约51000km，超过了首次故障里程。试验后，方案1门框后上角应力发生转移，开裂位置出现在搭接边之后，且开裂现象加重，方案2没有发生开裂现象，具体见图10。这说明方案1后上角前部贴结构胶带局部得到了加强，而后部过于薄弱，两边受力不均，应力发生转移；方案2由于后上角加强板尺寸变大，后部强度得到了加强，故没有发生开裂现象。这与表1中原车侧门框后上角没有加强前#4点应力应变值急剧变大也是吻合的。

表3　CAE分析结果对比

通过上述对比可见，方案2对于解决侧门框上角部开裂问题是有效的。由于是搭载试验，只跑了3000 km坏路，这对于验证白车身的疲劳耐久是远远不够的，还需要在后期继续进行试验验证。

4　结束语

白车身总成作为整车关键总成，强度指标一直是影响产品质量的关键性能。本文在研究过程中，验证手段为CAE分析和道路试验验证，但是对于商用车来说，道路试验不能全部反应白车身应该具有的疲劳寿命［4］，而现阶段CAE分析结果与实际情况还存在一定差距。CAE分析结果不能说明开裂对策一定有效，只能作为改善前后的对比依据。因此该课题还需要在后期继续验证并跟踪了解市场反馈情况。通过上述对侧门框上方前后角开裂问题的分析改进，可以得出以下结论：

1）生产中焊点数量、位置及涂胶情况与设计不符，是造成钣金开裂的重要原因。

2）后上角加强板设计尺寸过小，是造成后上角后部应力应变急剧变化的重要因素。

3）侧门开启不畅，开闭力过大加剧了侧门框上方钣金疲劳开裂问题的发生。

4）通过对焊接工艺受限的位置采用液体及带状结构胶连接，加大加强板尺寸，增加钣金搭接处的受力面积可以降低应力集中，提高局部连接强度，有利于解决侧门框上角部钣金疲劳开裂问题。

［1］ 梁会仁.某商用车驾驶室地板开裂问题分析研究［D］.合肥工业大学，2012.

［2］ 刑志伟.基于振动疲劳的车身疲劳分析方法研究［D］. 河南工业大学，2014.

［3］ 许冰.某微型客车车身门框疲劳耐久分析及优化设计［D］.吉林大学，2011.

［4］ 柏铁彬.商用车白车身开裂问题的研究和改进［D］.吉林大学，2013.

［5］ 吴振宇.基于真实路况的车身结构疲劳寿命预测方法研究［D］.湖南大学，2014.

专家推荐

秦信武：

本为针对客车门框开裂问题，从结构、制造、受力进行了较全面的分析，采用车身扭转工况分析了开裂部位的应力水平，确认为疲劳开裂。通过两个改善方案的白车身扭转工况的受力对比分析以及实车验证，确定了最终的改善措施。该方法尽管不能安全模拟实车工况，但对用于设计改进的对比分析比较快和有效。

The Cracking Research and Improvement for Side Door Frame of A Certain Vihicle

HUANG Xia, LUO Liao, HOU Lu
（ Commercial Product R&D Institute, Dongfeng Automobile Co., Ltd., Wuhan 430057, China ）

To solve the problem of a certain vehicle's side door frame fatigue cracking, related CAE simulation analysis, stress and strain test and the vehicles' practical manufacturing and operation situation are studied. This article locates the real reasons and solutions to solve the problem, then explains the research processes and methods of this problem. Improved solutions has been verified by road tests.

side door frame； cracking； structure optimization

U463.82

A

1005-2550（2016）03-0092-06