1 工程背景
江铃某车型样车后保险杠系统在45000km耐久试验中，右后保安装支架加强钣开裂，左、右后保安装支架安装处开裂。其中耐久试验工况包括：坏路、越野路、高速、山路和平路。失效照片见图1和图2。
图1 支架开裂处
图2 车架尾端开裂处
本文将基于频率响应分析方法，对该后保险杠系统进行仿真分析。找出其开裂失效的原因，并提出改进意见。
2 有限元模型的建立
2.1有限元网格划分
后保险杠系统3D数模见图3。本文采用Hypermesh前处理软件对几何模型进行网格划分。由于主要考察后保险杠附近车架处的受力状态，本次分析只截取部分车架模型进行计算。网格大小2mm。单元类型S4、S3。车架和后保的材料性能见表1。采用大型通用有限元软件Nastran进行数值计算。
表1 车架和后保的材料性能
图3 后保险杠3D数模
2.2边界条件
为了考察后保支架的响应情况，车架是主要激励源，故把激振点放置在车架上。见图4。
图4 有限元模型
3 数值分析结果
在耐久试验中，后保险杠会受到X、Y、Z向的共同激励而发生响应。为考察后保险杠在各向的频率响应水平，对后保险杠分别X、Y、Z向的频率响应分析，计算结果见表2。路谱测试结果中，在28和59HZ附件有加速度峰值出现，与计算结果的响应频率较吻合。路谱测试结果见图5。
表2 后保险杠X、Y、Z的频率响应结果
图5 路谱测试
根据X、Y、Z向模态频响分析中最大应力值和所在频率及路谱测试结果，判断后保险杠支架断裂主要由Y向振动引起。为确保安全系数，此后分析均为YZ向模态频响分析
3.1后保险杠YZ向频响分析
根据初步分析，后保险杠在Y向26.02HZ频率激励下响应最大，在60HZ附近也有峰值出现。为重现后保险杠失效模式，对其进行YZ向同时激励的频响分析，激励加速度为1G。有限元分析结果如图6，图7所示。
图6 后保险杠支架处应力云图
图7 车架与后保险杠连接处应力云图
26Hz频率时，后保险杠支架开裂处在1G加速度荷载激励下最大应力为504MPa，远超过材料的屈服强度。车架与后保险杠连接处最大应力为261.9MPa，出现在与实际断裂位置相同处。仿真计算结果重现了故障失效模式。两个失效点位置最大应力均发生在26HZ频率下，与路谱峰值处频率吻合。后保险杠失效是由于共振引起的，需通过改变后保险杠模态频率，从而避开共振频率。
4 提出改进方案并进行数值计算
为避开共振频率，需改进后保险杠支架Y向刚度。且后保险杠支架开裂处应力很大，有应力集中现象，需要对该处结构进行优化设计。车架贴板布置方式不合理，也是导致车架处开裂的原因。需要对贴板布置方式进行改进。具体改进方案见图8。
图8 改进方案示意图
图9 改进方案计算结果
改进方案最大应力出现在38HZ附近，后保险杠支架处最大应力为228.6MPa，车架与贴板边缘处最大应力为67MPa。根据路谱测试数据（图5），在38HZ处对应的加速度峰值很小。故在实际工况中，改进方案后保险杠支架及车技处所受力会更小。判断该改进方案能够满足耐久测试要求。
5 结论
根据改进方案进行设计变更，并制造样件装配在样车上进行耐久测试。新改进方案后保险杠未出现开裂失效，顺利通过了45000km耐久试验。通过先进的有限元技术，重现了后保险杠故障失效模式并提出改进方案，并对改进方案进行数值计算，从中选择最优的改进方案。这种方法大大缩短了工程问题的解决周期，降低了产品设计以及样件生产的成本，更及时有效地支持工程问题的解决。基于频率响应方法可以为同类问题的解决提供一种借鉴。
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