河北中兴汽车制造有限公司针对车架横梁中部开裂的质量问题，采用有限元分析技术，建立了BQ5021车型车架的有限元模型，对车架横梁的实际受力情况进行模拟分析，并提出了改进方案，为汽车质量改进及优化提供了一条简单而行之有效的方法。
车架作为汽车的承载基体，支撑着发动机、离合器、变速器、转向器和车身等所有簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力及力矩。为此，车架应有足够的刚度，以使装在其上的相关部件的相对位置在汽车行驶过程中保持不变，并保证车身的变形最小；车架也应有足够的强度，尤其是车架的纵梁、横梁等主要零件在使用期内不应有严重变形和开裂，以保证其有足够的寿命及可靠性。车架作为汽车的基础部件，受力状态和结构较复杂，无法用简单的数学方法对其各部分的应力状态进行分析计算，而采用有限元分析即可对车架的静强度进行较为准确的分析，从而使车架设计从经验设计进入到科学设计阶段。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多有限元（集合在一起能够表示实际连续域的离散单元）的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。常用软件为hypermesh。
河北中兴汽车制造有限公司（以下简称为“中兴汽车”）BQ5021车型投放市场以后，由于此车型是教练车，开车的都是学员，部分驾校反映行驶里程6 000km以后车架的第三横梁出现开裂，并且维修补焊后，仍有开裂现象。中兴汽车为了提高整车质量，达到此特殊用户的使用要求，主要针对车架第三横梁中下部开裂的故障，采用有限元分析技术仿真第三横梁实际受力情况，对影响第三横梁性能的参数进行仿真分析，并提出了改进方案。
建立有限元模型
BQ5021车型是在原来BQ1021的基础上更换变速器总成，并重新设计了车架第三横梁和前悬架系统。该车型前悬架为扭杆式双横臂独立悬架，车架第三横梁上所受的载荷有变速器悬置给横梁向下的压力、扭杆弹簧座和调整螺栓的压力。因主要分析对象为第三横梁，只建立了该横梁的模型以及与之相连接的部分车架纵梁，首先在三维软件（Unigraphics）中完成零部件的三维造型和装配。
然后导入到hypermesh软件中，建立有限元模型：采用二维四面体和三面体网格单元进行有限元网格划分。为保证单元质量检测合格，将车架钢板之间的焊缝假设为刚性连接单元，如横梁上下板之间、纵梁内外板之间；将螺栓连接单元也假设为刚性连接单元，如横梁和纵梁之间、横梁和变速器支架之间的连接螺栓。
边界条件的建立：主要针对极限工况即前悬架中上下摆臂跳至最高位置的状态，将图1所示的4个位置的节点的6个自由度固定，加载到变速器支架孔中心位置的力为1 000N，扭杆中心位置的扭力矩为2 910Nm。
图1 加载的有限元模型
计算与结果分析
将以上的有限元模型提交到hyperworks求解器中进行计算求解，并查看分析结果，应力云图（见图2）显示，发生开裂问题处的单元的应力为450MPa，车架横梁的材质为热轧高强度钢板B510L（该型号钢板的屈服强度为355MPa，抗拉强度为510～610MPa），很明显实际工况钢板的受力情况比较恶略，超过了材料本身的屈服强度，在前悬架上下摆动时，尤其是处于满载以上位置时，极易发生第三横梁开裂的质量缺陷。
图2 改进前第三横梁应力云图
制订优化方案并理论验证
优化的主要目的：加强第三横梁中部位置，降低钢板的最大应力，从而提高车架的使用寿命。改进方案：在第三横梁的上下板之间焊接衬管，同时增加支架与横梁的连接螺栓的长度。
改进后第三横梁的应力云图如图3所示，原来发生开裂问题的位置节点应力降为284MPa，小于材料B510L的屈服应力，优化方案有效。
图3 改进后第三横梁应力云图
结语
针对以上采取的方案，中兴汽车和配套厂家一起进行了样件的制作，并进行了样件的装配验证和3个月的市场验证，使故障里程由原来的6 000km提高到30 000km以上。根据最新售后信息分析，此质量问题已得到解决。
应用有限元分析技术解决零部件的质量问题，查找原因直观、方便且快捷，尤其是汽车底盘强度方面的质量问题，其优越性更为显著。
