李功明，王满祥，陈桂均

（1.南京汽车集团有限公司汽车工程研究院，南京 210022 ； 2.南京依维柯汽车有限公司，南京 210028）

1 引言

随着国防建设的加大，满足军队日益增长的多方面的实际需求，适应现代化快速反应能力、强大投送能力、高度机动能力的军队需求，开发出符合国标和军标的高性能军车产品，是企业对国防建设应做的贡献。

在青海现役的某军用越野车A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头处，以及 A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁接头处出现了不同程度的裂纹。如图 1，图 2所示：

A 柱是车辆的重要组成部分，需要足够的强度、刚度，出现裂纹会导致：1.前门框变形，出现门下垂现象，影响前门的开启；2.影响前风挡玻璃的密封，严重时可导致前风挡玻璃开裂；3.影响前门密封。针对此问题，对发生故障的车辆做统计分析，如表1所示：

表1 车辆统计信息

从车辆的统计情况分析，在青海戈壁滩沙石路以及越野路等恶劣工况下，行驶里程约6千到1万公里时会出现开裂现象，且左右A柱上部、A柱下部开裂现象无规律的发生。

2 问题分析

2.1 实际使用路况分析

车辆主要行驶区域为青海格尔木戈壁滩，道路情况主要是沙石路，相对研制定型时道路试验的越野路以及凹凸不平的坏路，路况更加恶劣，如图3，图4所示:

2.2 故障车拆解分析

对 3#车辆缺陷区域拆解分析，观察裂纹走向。在 A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头处的裂纹是从前门框拐角处的工艺缺口开始，延伸后进而使得 A 柱上部开裂。 A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁接头处的裂纹是从前门框内板与前门框外板焊点处开始延伸，进而使得区域出现开裂，如图 5所示。观察 2#、7#车 辆的 A柱下部，虽然未开裂，但是已出现了焊点脱落现象。

2.3 缺陷区域受力分析

针对出现裂纹的区域，在对角两轮悬空扭转工况（模拟青海格尔木戈壁滩沙石路况）下，提取车架加载点载荷，如图6、表2所示。对车辆模型通过有限元分析软件分析后得出， A柱上部缺陷区域最大应力值为 169.2 Mpa，A柱下部缺陷区域最大应力值为 165.8 Mpa，如 表3所示。通过对角两轮悬空工况分析，主要目的是得到车身整体的抗扭、抗弯特性。

表3 A柱上部、下部缺陷区域应力值

从表3可以看出，A柱上部、A柱下部最大应力值处于材料的许用范围。青海格尔木戈壁滩沙石路，对角两轮悬空的扭转工况频率较高。车辆在使用过程中出现扭转疲劳，导致缺陷区域出现裂纹。由于缺乏大量数据证明对角两轮悬空扭转工况是否能够真实模拟青海格尔木戈壁滩沙石路况。所以尝试多种解决措施来降低缺陷区域的应力值，并且后续通过样车在实际路况下路试验证。

3 改进措施与验证

3.1 前门框外板型面优化

A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头处，前门框外板拐角处的工艺缺口存在应力集中现象。从故障车A柱上部裂纹走向来看，裂纹从工艺缺口处延伸出来，所以优化此处缺口对改善应力集中现象非常明显。因如果完全去除此处工艺缺口，需要修改此区域结构，涉及到改动件非常多。综合考虑成本周期等原因，通过成型工艺分析，调整工艺缺口大小，以及增大圆角半径，使之缺陷区域圆角平缓过渡，有效缓解应力集中现象。

通过模型分析得出 A柱上部以及下部最大应力值，并与优化前形成对比，如图8，图9及表4所示:

表4 A柱上部、下部缺陷区域结构优化后的应力结果以及优化比例

3.2 A柱节点结构优化

A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头截面，A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁接头截面优化，如图10所示。根据截面优化得到A柱上部、A柱下部缺陷区域结构优化后的模型，如图11、图12所示:

A柱上部接头处，增加的加强板与顶盖前横梁搭接，在Y向延伸30 mm左右，能够有效的分散了应力。A柱下部接头处，增加的加强板与前门铰链加强板、前门框外板搭接，能够有效的缓解此处的应力集中现象。通过CAE分析模型得出最大应力值进行对比分析，如图13、图14所示，表5所示:

表5 A柱上部、下部缺陷区域结构优化后的应力结果以及优化比例

3.3 焊点布置优化

从2#、3#以及7#故障车A柱下部裂纹走向观察结果来看，裂纹从焊点处往外延伸。布置在缺陷区域的焊点出现了应力集中现象，进而导致焊点失效，使得局部区域结构出现坍塌，产生裂纹。

理论上，焊点的布置应配合前门框在工况下的弯曲扭转变形形式。在扭转工况下，焊点失效是拉伸应力和剪切应力共同作用的结果，所以焊点布置优先在前门框应力较小的位置。如图15所示，存在缺陷的区域 B在优化后没有布置焊点，而在区域 A、区域C的焊点间距由原来60mm调整至45mm。因缺乏焊点布置区域的疲劳分析手段，所以无法通过 CAE分析得出优化前后的应力对比。

3.4 增加塑料增强件

在 A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头处以及A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁接头处增加塑料增强件（主要成份为 70%PA66+30%玻纤），如图 16、图 17所示。在焊装车间前门框焊接工位处，塑料增强件通过金属卡扣固定在前门框内板上以及前门上铰链加强板上。在涂装车间，塑料增强件与前门框贴合处在高温烘烤后膨胀并与周边区域固化。这样 A柱上下两处接头处形成一个整体，提高了缺陷区域抗弯、抗扭的能力。通过 CAE分析模型得出最大应力值进行对比分析，如图 18，表 6所示:

表6 A柱上部、下部缺陷区域结构优化后的应力结果以及优化比例

3.5 空腔注入增强胶

在 A柱上部与侧顶梁、前顶横梁接头处以及A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁接头空腔内注入双组份环氧增强胶。两种组份在一定比例下通过胶枪混合后注入 A柱上下接头腔体内并固化。使得上下两处接头处形成一个整体，提高了缺陷区域抗弯、抗扭的能力。

综合考虑费用成本、周期等因素，如表7所示。采用前门框外板型面优化、焊点布置优化、接头节点结构优化，并在空腔内注入增强胶的措施来改善缺陷区域的应力状况。后续通过样车在青海戈壁滩沙石和越野路况下进行路试验证，均未发生开裂现象。

表7 改进优化措施成本与周期对比

4 总结

针对车辆实际运行工况，根据分析结果，优化车辆 A柱上部与侧顶梁、前顶横梁节点，以及A柱下部与前门铰链加强板、前风挡下横梁节点截面。采用修改前门框外板型面过渡圆角，调整焊点布置，增加塑料加强件、加强板，腔体注入双组份环氧增强胶等措施，降低缺陷区域最大应力值，提高能够在高频扭转工况下抗疲劳扭转的能力。并为后续解决此类问题提供参考性建议。

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