汽車側(cè)圍產(chǎn)生鼓包的原因與方案優(yōu)化

譚文娟，彭 鴻，朱貞英，項 劍

(1.浙江吉利控股集團(tuán)制造工程(ME)中心，浙江寧波 315336;2.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228)

1 側(cè)圍鼓包問題概述

某款車型個別車輛左側(cè)圍(帶加油口側(cè))出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，如圖1所示，產(chǎn)生的原因不詳。為此尋求鼓包產(chǎn)生原因以便提出改進(jìn)措施。

為了探求側(cè)圍鼓包出現(xiàn)的原因，筆者先進(jìn)行收集、分析、歸納處理相關(guān)客戶提供的信息。經(jīng)過仔細(xì)調(diào)查，產(chǎn)生鼓包的車輛后備箱基本裝滿了物品。再與汽車制造基地技術(shù)部工藝科及沖壓、焊裝、涂裝、總裝廠技術(shù)人員進(jìn)行廣泛深入的交流，采集相關(guān)數(shù)據(jù)及信息。根據(jù)采集來的信息結(jié)合沖壓、溫度場、碰撞CAE分析以探求出問題產(chǎn)生的原因，并提出改善方案。

圖1 市場上出現(xiàn)的汽車左側(cè)圍鼓包

2 側(cè)圍鼓包產(chǎn)生的原因

通過與汽車制造人員的交流得知，前期白車身在烘烤過程中，左側(cè)曾出現(xiàn)過鼓包現(xiàn)象，后經(jīng)技術(shù)改進(jìn)，在焊裝階段于側(cè)圍鼓包處內(nèi)側(cè)貼附加強襯板，烘烤時側(cè)圍鼓包現(xiàn)象消失。但客戶反映在車輛行駛至幾百公里到幾萬公里不等的路程后，仍有少量車輛會左側(cè)圍加油口附近出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，原因不明。

2.1 沖壓件的自身內(nèi)在缺陷

沖壓件在成形過程中，假定由于成形不充分，造成外板件在后期因時效因素可能會引起局部發(fā)生變形。本研究著重考察側(cè)圍外板鼓包部位的塑性變形狀態(tài)。在坯料上繪制網(wǎng)格圓，經(jīng)過全工序沖壓后測出側(cè)圍外板鼓包處網(wǎng)格圓的應(yīng)變狀態(tài)，見圖2。

圖2 應(yīng)用網(wǎng)格圓測量側(cè)圍的沖壓件質(zhì)量

測量變形后的網(wǎng)格圓并計算出主、次應(yīng)變，見表1。結(jié)果表明:次應(yīng)變從0到0.021 8不等，都大于或等于0，符合外板件的沖壓質(zhì)量要求;主應(yīng)變大于0，大部分大于0.02并小于0.03，在可接受的范圍內(nèi)，有少許的潛在缺陷。經(jīng)過與鼓包側(cè)圍的對照，側(cè)圍鼓包高度在5～10 mm，沖壓件的潛在缺陷難以引起如此大的變形。為了進(jìn)一步驗證鼓包處的質(zhì)量，使用超聲波測厚儀進(jìn)行厚度測量，所有測量點的變薄率均在10% ～20%，都大于3%的判定標(biāo)準(zhǔn)，金屬塑性變形充分。結(jié)果表明:沖壓件自身存在鼓包風(fēng)險的概率極小。

表1 現(xiàn)場測試出的重點部位主、次應(yīng)變

后期采用沖壓CAE軟件對左側(cè)圍進(jìn)行分析，重點考察變薄率、主應(yīng)變及次應(yīng)變。材料為DC06，厚度為0.8 mm，采用彈塑性力學(xué)模型，材料成形性能參數(shù)采用寶鋼標(biāo)準(zhǔn)，坯料大小與進(jìn)料量采用現(xiàn)場測試出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，拉延筋采用等效拉延筋。

分析變薄率云圖(圖3)可見:在鼓包處的變薄率為5.51%，鼓包附近區(qū)域的變薄率在4.75% ～7.55%，都大于3%的判定標(biāo)準(zhǔn)，滿足發(fā)生塑性變形的要求。

圖3 沖壓CAE分析變薄率云圖

分析主應(yīng)變云圖(圖4)可見:鼓包處的主應(yīng)變?yōu)?.06，鼓包附近的主應(yīng)變?yōu)?.035 ～0.122，主應(yīng)變也滿足發(fā)生塑性變形的要求。

圖4 主應(yīng)變云圖

再對次應(yīng)變云圖(圖5)進(jìn)行分析可見:鼓包處的次應(yīng)變?yōu)?.006 3，鼓包附近的次應(yīng)變?yōu)?.005 6 ～0.024 9，次應(yīng)變大于0，符合外板件的沖壓質(zhì)量要求。

圖5 次應(yīng)變云圖

通過沖壓CAE對側(cè)圍外板進(jìn)行分析，結(jié)果表明:塑性變形基本滿足成形要求，出現(xiàn)鼓包的概率極小。

2.2 溫度場的變化對側(cè)圍外板造成的影響

在基本排除沖壓件潛在原因引起鼓包的條件下，鑒于車輛在試制過程中烘烤時出現(xiàn)鼓包的事實，經(jīng)過分析認(rèn)為:溫度是影響側(cè)圍鼓包的重要原因。采集汽車批量化生產(chǎn)階段的烘干爐爐溫曲線，得出烘烤溫度在140℃ ～180℃，烘烤時間約為27 min。

根據(jù)爐溫曲線，對側(cè)圍進(jìn)行了溫度場CAE分析。在與側(cè)外板相連的各焊點處施加6個自由度(SPC123456)的約束，與玻璃作用處施加3個自由度(SPC123)的約束，側(cè)圍溫度載荷從25℃加熱到180℃。隨著溫度增加，CAE分析結(jié)果顯示:側(cè)圍加油口附近出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的變形，最大變形的分析結(jié)果見圖6。由圖6可見:側(cè)圍在加熱過程中引起變形的最大變形量為5.98 mm。隨后對無加油口蓋的側(cè)圍進(jìn)行模擬，分析結(jié)果也顯示出現(xiàn)了鼓包。隨著溫度降低，鼓包處逐漸恢復(fù)平整。

圖6 溫度場引起側(cè)圍鼓包變形

對比兩者差異可見:對于有加油口的側(cè)圍，在溫度上升過程中，以加油口上端與后背門搭接的凹面圓心處為基點，以凹面與加油口的最小距離為近似旋轉(zhuǎn)軸，材料受熱膨脹，兩端同時以旋轉(zhuǎn)軸向內(nèi)側(cè)擠壓引起變形;在加油口處受到加油口的約束，側(cè)向擠壓材料無法向縱向移動(無法朝著加油口上端凹面最小距離連線方向流動，故在平面上只有單向流動)，造成堆積，引起塑性變形;而無加油口側(cè)圍材料在側(cè)向和縱向方向上都可以流動(雙向流動)，變形程度較低，隨著溫度降低，容易逐漸恢復(fù)原狀。

為分析加強襯板的作用，以外門為例分別對加強襯板和鋼板面施壓。

從表2、圖7和表3可見:① 未貼加強襯板的裸鋼板抗變形性能不及加強襯板;② 復(fù)合加強襯板厚度越，抗變形能力越強;③復(fù)合加強襯板貼至鋼板上比加強襯板抵抗變形性能強。

再對加強襯板進(jìn)行烘烤、脫落試驗。目的:①研究抗振動性;② 分析面板抗扭曲性。步驟:①將襯板貼附在略涂過油的鋼板上，停放3 h以上，平放置在(175±5)℃恒溫箱中保持(25±2)min，取出后冷卻停放1 h以上，從距地面500 mm的高度，分別采取平行于地面、垂直于地面交替落下，每次落下后觀察是否有松動、脫落和隆起現(xiàn)象，不同方向各進(jìn)行2次;② 將襯板貼附在略涂過油的鋼板上，然后放在(175±5)℃恒溫箱中保持(25±2)min，取出后冷卻停放1 h以上，測量扭曲位移，要求其小于等于3 mm。結(jié)果:① 均無松動、脫落和隆起現(xiàn)象;② 扭曲位移均小于等于3 mm。結(jié)論:汽車上所用的加強襯板合格。對加強襯板進(jìn)行烘烤、脫落實驗也表明，加強襯板對控制變形有利。

表2 加強襯板面受力 N

圖7 加強襯板面位移

表3 加強襯板鋼板面受力 N

對加強襯板進(jìn)行溫度場模擬，位移云圖見圖8。其中，p1位置無襯板時最大位移量為5.98 mm，帶襯板時最大位移量為3.86 mm。結(jié)果表明:加強襯板對鼓包有控制作用。模擬結(jié)果受材料參數(shù)等諸多因素限制，有進(jìn)一步研究的重要價值。與工程實際應(yīng)用進(jìn)行對比，結(jié)果表明:加強襯板可以控制左側(cè)圍鼓包。

圖8 溫度場引起變形量的對比分析

2.3 沖擊載荷的影響

在制造基地調(diào)研過程中，了解到試車員在試車時，當(dāng)拖鉤受到?jīng)_擊后出現(xiàn)左側(cè)圍鼓包現(xiàn)象。隨后擴(kuò)大調(diào)查該款車型左側(cè)圍鼓包信息來源，得知出現(xiàn)鼓包的車輛存在拖鉤被撞的事實，但由于鼓包都是事后不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)的，車主不能十分確定是否為碰撞引起的。

經(jīng)過詳細(xì)研究，認(rèn)為碰撞為左側(cè)圍鼓包的極其重要的誘因。為驗證推測，進(jìn)行碰撞后拖鉤CAE分析。建立碰撞模型，材料為DC06，厚度為0.8mm，屈服強度為140 MPa，抗拉強度為290 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為2.07 ×105MPa。

方案1 如圖9所示，整車以60 km/h的速度從前至后碰撞剛性障礙物，障礙物圓角直徑為30 mm，與拖鉤的交錯高度為10 mm。模擬碰撞過程為:整車經(jīng)碰撞后飛越障礙物后再落地。

圖9 方案1碰撞模型

對方案1進(jìn)行碰撞CAE分析，碰撞后側(cè)圍應(yīng)力分布云圖見圖10，可見左側(cè)圍加油口斜上端應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中區(qū)域，觀察應(yīng)變云圖(圖11)，結(jié)果顯示在相同區(qū)域應(yīng)變集中。分析結(jié)果表明:拖鉤碰撞會引起左側(cè)圍鼓包，出現(xiàn)位置與現(xiàn)場完全一致，如圖12所示。觀察右側(cè)側(cè)圍，相應(yīng)區(qū)域無明顯變化。

圖10 后拖鉤碰撞仿真的應(yīng)力云圖

圖11 后拖鉤碰仿真應(yīng)力、應(yīng)變云圖

圖12 實車與碰撞防真?zhèn)葒陌鼘Ρ?/p>

方案2 某款車型以60 km/h速度向后倒車，拖鉤撞擊到路面突起障礙物?？疾熳蟆⒂覀?cè)圍應(yīng)力、應(yīng)變集中情況，并確定其在加油口附近是否出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。結(jié)果表明:左側(cè)圍加油口上部有應(yīng)力集中，但程度較小，沒有明顯鼓包。

方案3 在方案1基礎(chǔ)上，拖鉤放置在右側(cè)，考察左、右側(cè)圍的應(yīng)力、應(yīng)變集中情況，并確定其在加油口附近是否出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。結(jié)果表明:左側(cè)加油口上部有應(yīng)力集中，但程度較小，沒有明顯鼓包;右側(cè)圍也無明顯鼓包現(xiàn)象。

方案4 在方案1基礎(chǔ)上，去掉左側(cè)后尾燈安裝支架(減重方案)，考察左、右側(cè)圍的應(yīng)力、應(yīng)變集中情況，并確定其在加油口附近是否出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。結(jié)果表明:左側(cè)圍加油口上部有應(yīng)力集中，但程度較小，沒有明顯鼓包。

由以上分析結(jié)果可見:側(cè)圍以車輪上部減振器處為支點，以車輪后部的側(cè)圍和尾燈處的負(fù)荷為載重形成了懸臂梁，當(dāng)正碰拖鉤時，在加油口上部薄弱環(huán)節(jié)，材料受到壓縮引起鼓包，當(dāng)后碰拖鉤時，相同位置的材料受到拉伸無堆積現(xiàn)象，故無明顯鼓包。

3 后拖鉤實車碰撞試驗

為了驗證拖鉤碰撞的準(zhǔn)確性，對實車進(jìn)行后拖鉤碰撞試驗。選取車身編號為LJU8824S6ASO39327的車輛作為試驗車進(jìn)行碰撞試驗。

基于圖9的碰撞CAE分析模型進(jìn)行碰撞試驗，但由于駕駛員要對準(zhǔn)地面上的固定樁去撞擊不僅困難，且非常危險。經(jīng)過分析，在試驗過程中選取汽車試驗場的起伏路面進(jìn)行撞擊試驗，如圖13所示。但拖鉤離地面太高，并未碰到路面的突起部分。隨后，在后備箱加載重物約50 kg，拖鉤依然未碰到路面。

圖13 起伏路面試驗后拖鉤碰撞地面

重新尋找類似車庫進(jìn)出口的路面，最終在某處找到如圖14所示的路面，路面斜坡呈折角，起伏較大，符合車庫出入口急下坡的路況條件。經(jīng)過多次測試，并在后備箱加載以壓低后拖鉤，使之與地面接近。當(dāng)在后備箱加載約120 kg，車輛在共乘坐3位成人男子的條件下，車輛在沿斜坡下行過程中，車尾下部貼近地面，后拖鉤與地面發(fā)生激烈撞擊(圖15)，地面被后拖鉤摩擦出一道約10 mm的深槽，左側(cè)圍加油口盒斜上方區(qū)域產(chǎn)生鼓包(圖16)。

圖14 大角度斜坡試驗路面

圖15 后拖鉤與地面發(fā)生碰撞

圖16 后備箱加載試驗及側(cè)圍鼓包

4 解決方案

基于以上分析結(jié)果，針對鼓包出現(xiàn)的不同階段，分別采用不同的方法:對于烘烤時期產(chǎn)生的鼓包，用加強襯板控制;對于拖鉤發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的鼓包，則采用避免碰撞的方式進(jìn)行鼓包控制。

4.1 粘貼加強襯板

選擇剛性好、黏性足、耐高溫(180℃)、厚度在2 mm以上的加強襯板，要保證覆蓋整個鼓包區(qū)域，見圖17。粘貼方式能有效控制由溫度變化引起的變形。加強襯板在采購過程中，做好烘烤后抗振和抗扭及剛度試驗，硬化后抗剪應(yīng)力值應(yīng)大于等于2 MPa，確保加強襯板質(zhì)量。

圖17 加強襯板粘貼區(qū)域

4.2 優(yōu)化拖鉤結(jié)構(gòu)方案

鑒于該款車型是已經(jīng)批量生產(chǎn)，因此保證原來的安裝位置不變，修改后拖鉤的結(jié)構(gòu)，由豎直向下改為水平方向，如圖18、19所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在原來的基礎(chǔ)上抬高60 mm，使車輛在行駛過程中避免碰撞后拖鉤而引起側(cè)圍鼓包。經(jīng)過計算分析，改進(jìn)后的后拖鉤滿足拉力要求和掛鋼絲繩的空間避讓要求，現(xiàn)已經(jīng)投入生產(chǎn)。經(jīng)調(diào)查，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。

圖18 后拖鉤原始結(jié)構(gòu)

圖19 后拖鉤優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

4.3 對以后車型設(shè)計的建議

1)為了避免烘烤時由于溫度升高對側(cè)圍變形的影響，建議圖20中的R應(yīng)盡量設(shè)計大些，避免在烘烤過程中加油口上端材料發(fā)生大的擠壓變形。

2)為了避免沖擊過程中懸臂梁過長，在設(shè)計時建議L不易過大。

3)為了在沖擊過程中使加油口上端材料便于流動，建議加油口不易過深，圓形加油口結(jié)構(gòu)優(yōu)于方形加油口結(jié)構(gòu)，分件結(jié)構(gòu)優(yōu)于整體結(jié)構(gòu)。

4)盡量減小尾燈及其尾燈支座的質(zhì)量，以減小沖擊過程中的振動。

5)建議車型開發(fā)階段進(jìn)行溫度場和沖擊CAE等方面的分析。

圖20 側(cè)圍尾部優(yōu)化方案

5 結(jié)束語

側(cè)圍鼓包是個復(fù)雜的金屬塑性變形過程。在尋找側(cè)圍鼓包出現(xiàn)原因的過程中，首先從沖壓角度考慮，其次從溫度和碰撞方面考慮。經(jīng)過CAE模擬和實際測量，基本排除沖壓因素。再運用溫度場和碰撞CAE進(jìn)行分析，確認(rèn)溫度和碰撞對側(cè)圍鼓包均造成影響。經(jīng)過后拖鉤實車碰撞試驗，驗證了側(cè)圍鼓包主要是由后拖鉤受到撞擊引起的。根本原因為車身側(cè)圍尾部的V型結(jié)構(gòu)，在溫度場或沖擊作用下加油口附近(V型尖點處)出現(xiàn)壓縮類應(yīng)力集中，由于加油口處深度較大，剛性較強，集中應(yīng)力無法釋放而引起塑性變形。最后，采取相應(yīng)的措施解決了側(cè)圍鼓包問題，并提出在今后車型設(shè)計工作中避免此類缺陷產(chǎn)生的建議。

［1］曾攀.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［2］胡世光，陳鶴崢.板料冷沖壓成形的工程解析［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［3］王錫春.汽車涂裝工藝技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］林忠欽.汽車板精益成形技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ，2009.

［5］莊蔚敏.工藝過程材料特性變化對車身結(jié)構(gòu)件抗撞性影響研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［6］蘇保國.轎車車身結(jié)構(gòu)碰撞數(shù)值模擬計算研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2001.

［7］王昶，何玉林，胡亞民，等.轎車車身覆蓋件沖壓模具工藝補充面設(shè)計與應(yīng)用［J］.鍛壓技術(shù)，2006(5):100－103.

［8］王金武.汽車覆蓋件沖壓成形缺陷的精細(xì)分析與仿真優(yōu)化方法研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2010.

［9］索忠林.金屬塑性與超塑性拉伸失穩(wěn)及其力學(xué)解析［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［10］曾國平，黃文彬.求解彈塑性問題時考慮材料可壓縮性的影響［J］.固體力學(xué)學(xué)報，1988(4):366－371.