基于有限元的车辆可靠性增长方法的研究

王磊，钟瑞，裴永琪，王华栋

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710020）

基于有限元的车辆可靠性增长方法的研究

王磊，钟瑞，裴永琪，王华栋

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710020）

文章从有限元分析的角度研究了汽车可靠性在设计、生产、试验阶段的实现方法，阐述了有限元分析在可靠性提升中的指导性意义。通过可靠性方法的总结和数据积累，为新车型的开发提供帮助。

有限元；可靠性；整车设计

Abstract:This paper studies the realization method of vehicle reliability in design,production and experimental stage from the perpective of finite element analysis, and expounds the guiding significance of finite element analysis in reliability improvement. Through the summary and data accumulation of reliability methods, the development of new vehicle can be helped.

Keywords: finite element; reliability; vehicle design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-69-02

1 概述

汽车可靠性不仅是决定汽车效能、寿命周期和使用费用的重要因素，还与维修性、保障性相关联。在整车设计尤其是军车设计中，对可靠性要求更为严格。提高汽车可靠性一直是汽车行业的重大研究课题。汽车可靠性增长是一个系统性工程，贯穿了前设计、产品设计、零部件生产、分系统及整车装配、车辆可靠性试验、售后数据收集及反馈。其中有限元分析数据在设计、生产、试验阶段都具有很强的指导性。

文中重点提出了有限元分析对整车可靠性设计和提升的实现方法，从而实现其基础型指导意义。

2 前设计阶段的可靠性分配

前设计阶段包括了产品规划和可靠性的分配及文件编制。通过文件的编制将产品的可靠性指标进行分配和预测。形成各分总成的可靠性指标，从而为有限元分析提出了方向和目标。主要总成、子系统可靠性的分配流程如图1所示。

图1 系统总成可靠性分配流程

3 有限元在产品各阶段的应用

3.1 设计阶段

设计阶段包含了产品的可靠性设计，其流程如图2所示，在这一阶段CAE分析对可靠性提升具有基础性指导意义。运用有限元软件对各结构件进行分析和寿命校核，并依据有限元分析结果提出改进方案，指导各总成的可靠性提升，并将验证的方案推广到其他零部件。

图2 零部件可靠性设计流程

如图3所示，通过有限元分析对某车型转向摆臂进行结构优化，获得形似人体关节的转向摆臂结构，经可靠性验证后推广到其他摆臂的设计中。

图3 分析结果在产品设计中的推广

3.2 生产阶段

3.2.1 产品探伤

依据有限元分析结果，指导零部件特别是铸锻件和焊接件的缺陷探伤。如图4所示，是某车型悬架系统的下摆臂，由于其结构比较复杂，在探伤前先进行分区，然后根据有限元分析的结果选择应力能比较集中的区域进行探伤，获得其探伤报告。

图4 下摆臂探伤区确认

3.2.2 微缺陷件的甄别

提出微缺陷件的概念，并依据有限元分析数据编写微缺陷件再利用的甄别标准，在达到可靠性指标的基础上，降低生产成本。如图5所示，由于某车型桥连接板结构复杂、尺寸较大，铸造时合格率不高，易出现微缺陷，如沙眼、疏松、缩孔等，因此可依据其有限元分析结果，制定详细的甄别标准，标定各个区域允许出现的缺陷级别或零缺陷，将报废的零件在保证可靠性的基础上，得到了再利用。同时还可以指导铸件加工有的放矢的改进铸造工艺，保证零缺陷区的铸造质量。并且机加工部门，在机加工中，一旦发现零缺陷区出现了缺陷，就可以放弃下一步的机加工步骤，节约了成本和时间。

图5 微缺陷件甄别标准的确定流程

3.3 可靠性试验阶段

完成各分总成及整车的装配后，整车进入可靠性试验阶段。对可靠性试验中出现故障的零部件特别是疲劳或应力损伤的结构件，进行有限元分析，提出解决方案，并在后续的可靠性试验中进行验证。如图6所示，某车型椭圆形截面的后桥摆臂在可靠性试验中发生根部断裂，经有限元分析后，将后桥摆臂截面优化为变截面的四边形，其可靠性在后续试验中得到验证，并在其后的车型设计中固化为常用结构形式。

图6 后桥摆臂优化后的可靠性提升

4 可靠性提升方法总结

试验结束后，对出现故障和失效的零部件进行统计分析，获得整车可靠度分布数据，通过对可靠性方法的总结和数据的积累，形成下一轮整车可靠性提升的依据，指导新产品可靠性设计，循环推进车辆的可靠性提升。

[1] 王秉刚.汽车可靠性工程方法[M].北京:机械工业出版社,1991.

[2] 顾履平,冯锡曙.实用可靠性技术[M].北京:机械工业出版社,1992.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2006.

A Study for Method of the Vehicle Reliability Growth Based on Finite Element

Wang Lei, Zhong Rui, Pei Yongqi, Wang Huadong
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi’an 710020 )

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-69-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.024

王磊，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院军品研究所。