1 工程背景
江鈴某車型樣車后保險杠系統在45000km耐久試驗中，右后保安裝支架加強鈑開裂，左、右后保安裝支架安裝處開裂。其中耐久試驗工況包括：壞路、越野路、高速、山路和平路。失效照片見圖1和圖2。
圖1 支架開裂處
圖2 車架尾端開裂處
本文將基于頻率響應分析方法，對該后保險杠系統進行仿真分析。找出其開裂失效的原因，并提出改進意見。
2 有限元模型的建立
2.1有限元網格劃分
后保險杠系統3D數模見圖3。本文采用Hypermesh前處理軟件對幾何模型進行網格劃分。由于主要考察后保險杠附近車架處的受力狀態，本次分析只截取部分車架模型進行計算。網格大小2mm。單元類型S4、S3。車架和后保的材料性能見表1。采用大型通用有限元軟件Nastran進行數值計算。
表1 車架和后保的材料性能
圖3 后保險杠3D數模
2.2邊界條件
為了考察后保支架的響應情況，車架是主要激勵源，故把激振點放置在車架上。見圖4。
圖4 有限元模型
3 數值分析結果
在耐久試驗中，后保險杠會受到X、Y、Z向的共同激勵而發生響應。為考察后保險杠在各向的頻率響應水平，對后保險杠分別X、Y、Z向的頻率響應分析，計算結果見表2。路譜測試結果中，在28和59HZ附件有加速度峰值出現，與計算結果的響應頻率較吻合。路譜測試結果見圖5。
表2 后保險杠X、Y、Z的頻率響應結果
圖5 路譜測試
根據X、Y、Z向模態頻響分析中最大應力值和所在頻率及路譜測試結果，判斷后保險杠支架斷裂主要由Y向振動引起。為確保安全系數，此后分析均為YZ向模態頻響分析
3.1后保險杠YZ向頻響分析
根據初步分析，后保險杠在Y向26.02HZ頻率激勵下響應最大，在60HZ附近也有峰值出現。為重現后保險杠失效模式，對其進行YZ向同時激勵的頻響分析，激勵加速度為1G。有限元分析結果如圖6，圖7所示。
圖6 后保險杠支架處應力云圖
圖7 車架與后保險杠連接處應力云圖
26Hz頻率時，后保險杠支架開裂處在1G加速度荷載激勵下最大應力為504MPa，遠超過材料的屈服強度。車架與后保險杠連接處最大應力為261.9MPa，出現在與實際斷裂位置相同處。仿真計算結果重現了故障失效模式。兩個失效點位置最大應力均發生在26HZ頻率下，與路譜峰值處頻率吻合。后保險杠失效是由于共振引起的，需通過改變后保險杠模態頻率，從而避開共振頻率。
4 提出改進方案并進行數值計算
為避開共振頻率，需改進后保險杠支架Y向剛度。且后保險杠支架開裂處應力很大，有應力集中現象，需要對該處結構進行優化設計。車架貼板布置方式不合理，也是導致車架處開裂的原因。需要對貼板布置方式進行改進。具體改進方案見圖8。
圖8 改進方案示意圖
圖9 改進方案計算結果
改進方案最大應力出現在38HZ附近，后保險杠支架處最大應力為228.6MPa，車架與貼板邊緣處最大應力為67MPa。根據路譜測試數據（圖5），在38HZ處對應的加速度峰值很小。故在實際工況中，改進方案后保險杠支架及車技處所受力會更小。判斷該改進方案能夠滿足耐久測試要求。
5 結論
根據改進方案進行設計變更，并制造樣件裝配在樣車上進行耐久測試。新改進方案后保險杠未出現開裂失效，順利通過了45000km耐久試驗。通過先進的有限元技術，重現了后保險杠故障失效模式并提出改進方案，并對改進方案進行數值計算，從中選擇最優的改進方案。這種方法大大縮短了工程問題的解決周期，降低了產品設計以及樣件生產的成本，更及時有效地支持工程問題的解決。基于頻率響應方法可以為同類問題的解決提供一種借鑒。
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本文標題：基于Natran頻率響應分析的后保險杠開裂仿真分析
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