基于應(yīng)力測(cè)試對(duì)某車(chē)型耐久后鈑金開(kāi)裂問(wèn)題的分析與研究

劉小銳，謝卓維，譚江明，陳周明

（廣汽本田汽車(chē)有限公司 技術(shù)部 產(chǎn)品技術(shù)科，廣東 廣州 510700）

1 引言

隨著汽車(chē)自媒體的興起以及短視頻平臺(tái)的急速普及，汽車(chē)質(zhì)量問(wèn)題信息日益透明化，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的安全性、可靠性、耐久性的要求越來(lái)越高。整車(chē)廠與其花費(fèi)更多的人力物力在售后領(lǐng)域，進(jìn)行公關(guān)對(duì)應(yīng)這些質(zhì)量問(wèn)題，倒不如在車(chē)型投產(chǎn)前期，就把車(chē)輛可靠性、耐久性能提升到足夠高的水平。因此，整車(chē)耐久性能已經(jīng)成為各大主機(jī)廠必須重視的問(wèn)題之一。然而車(chē)型上市前期開(kāi)展的耐久試驗(yàn)，普遍對(duì)零件素性要求很高（恒久模具、恒久生產(chǎn)設(shè)備、零“手修”），加上耐久試驗(yàn)耗時(shí)很長(zhǎng)（3～4月），假若出現(xiàn)耐久不良，留給解析對(duì)策的時(shí)間已所剩無(wú)幾，一旦對(duì)策失敗，很有可能導(dǎo)致車(chē)型量產(chǎn)推遲。因此，整車(chē)、單品耐久不良對(duì)策成功率普遍要求為100%。針對(duì)車(chē)身領(lǐng)域鈑金等零件，通常采取的辦法是CAE分析結(jié)合整車(chē)應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)仿真模擬分析及疲勞耐久試驗(yàn)，預(yù)測(cè)對(duì)策后是否存在疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而得知對(duì)策有效性。

本文以某車(chē)型耐久跑行后鈑金開(kāi)裂不良為例，基于對(duì)應(yīng)力測(cè)試的研究，對(duì)耐久后鈑金開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行解析及對(duì)策驗(yàn)證，從而確保耐久鈑金開(kāi)裂不良對(duì)策成功率100%。

2 應(yīng)力測(cè)試的基本概述

首先對(duì)本文涉及的部分應(yīng)力及疲勞相關(guān)概念進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

應(yīng)力，施加外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。

如圖1所示，在物體表面施加外力P，物體為保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗變形的力——內(nèi)力。內(nèi)力被物體的截面積所除后得到的值即應(yīng)力[1]。因?yàn)椋簝?nèi)力=外力，所以應(yīng)力σ=P/A，應(yīng)力的單位為Pa，N/mm2或kgf/mm2。

圖1

應(yīng)變 ε：

物體的伸長(zhǎng)率，無(wú)單位。軸向應(yīng)變 ε：

與外力同方向的伸長(zhǎng)（或壓縮）方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。

橫向應(yīng)變 εd：

與外力成直角方向上的應(yīng)變稱為橫向應(yīng)變。

如圖2所示，圓棒受外力作用長(zhǎng)度伸長(zhǎng)⊿L，直徑變化-⊿d。則軸向應(yīng)變?chǔ)?⊿L/L，橫向應(yīng)變?chǔ)興=-⊿d/d0。

通過(guò)測(cè)量應(yīng)變，以計(jì)算由于外力作用而在物體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，這種方法稱為應(yīng)力測(cè)試[2]。物體材料的彈性系數(shù)已知的情況下，根據(jù)應(yīng)變可以計(jì)算出應(yīng)力。應(yīng)力測(cè)試的目的是測(cè)出構(gòu)件受載后表面的或內(nèi)部各點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，適用于車(chē)身零部件或焊接部位、底盤(pán)零部件、玻璃應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試。

圖2 應(yīng)變圖

如圖3所示，超過(guò)彈性區(qū)域后，應(yīng)力不上升，只有應(yīng)變變化。這表示材料開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形。這個(gè)出現(xiàn)變化的點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)，特別把彈性區(qū)域的最大應(yīng)力點(diǎn)稱為上屈服點(diǎn)，經(jīng)過(guò)上屈服點(diǎn)，應(yīng)力稍微下降后，保持不變，但應(yīng)變變化的這部分的平均應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)。這是軟鋼才有的特性。由于下屈服點(diǎn)的數(shù)值較為穩(wěn)定，因此通常以它作為材料抗力指標(biāo)，稱為屈服點(diǎn)或者屈服強(qiáng)度。應(yīng)力應(yīng)變圖中的最大應(yīng)力稱為這種材料的抗拉強(qiáng)度[1]。

圖3 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

最大應(yīng)力 σmax：

如圖4，發(fā)生應(yīng)力的最大值。

最小應(yīng)力 σmin：

如圖4，發(fā)生應(yīng)力的最小值。

應(yīng)力幅 σα：

最大應(yīng)力和最小應(yīng)力在平均應(yīng)力上下變化的幅度稱為應(yīng)力幅：

圖4 應(yīng)力幅

S-N曲線：

為了評(píng)價(jià)和估算疲勞壽命或疲勞強(qiáng)度，需要建立外載荷與壽命之間的關(guān)系。反應(yīng)外力S和疲勞壽命N之間的關(guān)系的曲線叫做S-N曲線，或稱之為W?hler曲線，如圖5。

圖5 S-N 曲線圖

疲勞破壞值Dm。

Dm值即Damage值，是用來(lái)表示材料或物體的疲勞壽命。

Dm≥1即發(fā)生疲勞破壞

N：材料特性數(shù)據(jù)，從材料的S-N曲線可以獲知；n：試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理所得。

舉個(gè)例子，如從S-N曲線獲悉不同應(yīng)力S對(duì)應(yīng)的壽命N值，以及應(yīng)力測(cè)試獲得的總數(shù)據(jù)中，各應(yīng)力值分別發(fā)生的頻次n如下表1所示：

表1 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

此時(shí)Dm小于1，即不存在疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

疲勞限度σ-1：

大多數(shù)的鋼鐵材料，在受到106～107次重復(fù)次數(shù)的荷重后，即使次數(shù)更多也不會(huì)導(dǎo)致破壞，存在下限的應(yīng)力振幅值，這稱為疲勞限度。

基準(zhǔn)：實(shí)際應(yīng)力測(cè)試中，測(cè)定的應(yīng)力幅σα小于該測(cè)定零件材料疲勞限度值σ-1，則基本可以判斷不存在疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。否則，需要繼續(xù)計(jì)算Dm疲勞破壞值，Dm≥1即發(fā)生疲勞破壞。

3 應(yīng)力測(cè)試實(shí)操簡(jiǎn)述

測(cè)量應(yīng)變的方法有很多種，大致分為機(jī)械、光學(xué)、電子測(cè)定法。本次僅舉例說(shuō)明電測(cè)法，使用單軸應(yīng)變片。

3.1 應(yīng)變片的構(gòu)造

應(yīng)變片有很多種類(lèi)。一般的應(yīng)變片是在稱為基底的塑料薄膜（15μm-16μm）上貼上由薄金屬箔材制成的敏感柵（3μm-6μm），然后再覆蓋上一層薄膜作為迭層構(gòu)造。

3.2 應(yīng)變片的原理

將應(yīng)變片粘在被測(cè)定物上，使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長(zhǎng)或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸長(zhǎng)或縮短時(shí)其電阻會(huì)隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個(gè)原理，通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。但是由于應(yīng)變相當(dāng)微小，所產(chǎn)生的電阻變化也相當(dāng)微小，一般電阻計(jì)根本無(wú)法測(cè)量，因此，為了對(duì)這種微小電阻變化進(jìn)行測(cè)量，我們使用帶有韋斯通電橋回路的專用應(yīng)變測(cè)量?jī)x，測(cè)出電橋的輸出電壓就可以計(jì)算出應(yīng)變的大小[2]。此處就不再對(duì)其原理展開(kāi)說(shuō)明。

3.3 應(yīng)變片的選擇

根據(jù)使用場(chǎng)景及測(cè)量物體材料的不同，應(yīng)變片及其粘合劑的選擇也會(huì)有相應(yīng)區(qū)別。目前應(yīng)變片使用較為廣泛的品牌為共和以及歐美大地，具體應(yīng)變片選擇可參考下圖6，摘錄自共和官網(wǎng)。

圖6 應(yīng)變片選擇

3.4 應(yīng)力測(cè)試設(shè)備及工具

如下圖7所示為本人團(tuán)隊(duì)常用應(yīng)力測(cè)試設(shè)備及相關(guān)耗材，供參考。

圖7 應(yīng)力測(cè)試工具

3.5 應(yīng)變片與橋盒的連接方法

下圖8左側(cè)圖形是普通應(yīng)變片的連接方法（2根線），右側(cè)圖形中是帶溫度補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)變片連接方法，具體連接方式需要根據(jù)橋盒的結(jié)構(gòu)而定。

圖8 應(yīng)變片連接原理

3.6 應(yīng)變片貼伏位置

3.6.1 鈑金開(kāi)裂下應(yīng)變片貼付方式

應(yīng)變片測(cè)量區(qū)域應(yīng)覆蓋零件受力最大區(qū)域，如測(cè)量開(kāi)裂的焊點(diǎn)的受力，則建議垂直焊點(diǎn)裂紋進(jìn)行貼伏，見(jiàn)下圖9。

圖9 應(yīng)變片貼付圖

此處特別說(shuō)明，由于應(yīng)變片貼伏位置的準(zhǔn)確性決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此針對(duì)上述這種明確疲勞開(kāi)裂點(diǎn)，對(duì)對(duì)標(biāo)車(chē)輛開(kāi)展應(yīng)力測(cè)試，貼伏應(yīng)變片時(shí)必須確保應(yīng)變片貼伏位置與事項(xiàng)車(chē)開(kāi)裂點(diǎn)一致。為了確保貼伏位置的準(zhǔn)確性，本人測(cè)試團(tuán)隊(duì)總結(jié)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，制定出“等比臨摹法”，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

等比臨摹法：先對(duì)開(kāi)裂事項(xiàng)車(chē)的開(kāi)裂區(qū)域進(jìn)行三坐標(biāo)掃描，通過(guò)處理后生成開(kāi)裂區(qū)域等比例2D圖，然后把該2D圖等比例打印出來(lái)，結(jié)合三坐標(biāo)掃描時(shí)的定位孔把打印出來(lái)的圖紙固定在對(duì)標(biāo)車(chē)輛上，把即可把裂紋“臨摹”在對(duì)標(biāo)車(chē)輛上，此時(shí)進(jìn)行應(yīng)變片貼伏位置的劃線定位，能確保貼伏位置盡可能與開(kāi)裂點(diǎn)一致。該方法能確保應(yīng)變片貼伏位置的準(zhǔn)確性，減少測(cè)量誤差，以及減少因貼伏位置偏差而導(dǎo)致的重復(fù)試驗(yàn)工時(shí)。

3.6.2 其他情況，應(yīng)變片貼伏建議參考如下幾點(diǎn)

（1）選擇遠(yuǎn)離鈑金邊緣的一側(cè)粘貼應(yīng)變片；

（2）如鈑金形狀不規(guī)則，則沿著鈑金邊緣方向多粘貼幾個(gè)應(yīng)變片；

（3）對(duì)于二氧化碳焊，應(yīng)變片應(yīng)緊貼二氧化碳焊根部粘貼；

（4）對(duì)于測(cè)量圓棒的扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)，粘貼位置參見(jiàn)圖10：

圖10 應(yīng)變片粘貼

（5）對(duì)于測(cè)量圓棒的拉伸壓縮力時(shí)，粘貼位置參見(jiàn)圖11：

圖11 應(yīng)變片粘貼

3.7 應(yīng)變片貼伏方式

3.7.1 應(yīng)變片粘貼位置的前處理

如在應(yīng)變片粘貼的地方有銹、電鍍、黑皮、油漆、電泳漆等，先用打磨機(jī)配合橡膠磨頭，打磨清除干凈，露出待測(cè)物本體。

3.7.2 應(yīng)變片粘貼位置的清潔、處理

用工業(yè)用的紙巾（或者不會(huì)掉毛的布）醮上清洗劑（或丙酮等溶劑）對(duì)應(yīng)變片粘貼位置進(jìn)行脫脂、洗凈。然后在應(yīng)變片粘貼位置劃線定位。

3.7.3 粘合劑的涂布

傾斜地拿著應(yīng)變片，應(yīng)變片導(dǎo)線往上，從應(yīng)變片BASE面（平滑那一面）末端滴粘合劑。

整體都沾有粘合劑后，迅速把應(yīng)變片對(duì)齊粘貼位置放下。

3.7.4 應(yīng)變片的粘貼及加壓

把應(yīng)變片放在應(yīng)變片粘貼位置后，立即蓋上聚乙烯膜。用拇指指腹對(duì)應(yīng)變片BASE持續(xù)加壓約1～2分鐘。為防止應(yīng)變片收拉扯導(dǎo)致斷線，先把線放松一點(diǎn)后，再用膠帶固定。

3.8 應(yīng)力測(cè)試工況

本人測(cè)試團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)力測(cè)試在某惡路耐久試驗(yàn)的測(cè)試跑道進(jìn)行，由沙石路與卵石路組成，考慮到左右輪路面存在差異，測(cè)量時(shí)順時(shí)針及逆時(shí)針各需跑行最少3圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在進(jìn)入測(cè)試路段前，確保車(chē)輛處于滿載及標(biāo)準(zhǔn)胎壓下后，在平地靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)采集器進(jìn)行置零，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定在±1MPa范圍內(nèi)后，進(jìn)入測(cè)試路段開(kāi)始采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，并且記錄不同路況分別對(duì)應(yīng)哪一段測(cè)量數(shù)據(jù)，以便后續(xù)確認(rèn)最大拉、壓應(yīng)力發(fā)生在哪個(gè)路段。如下圖所示為某車(chē)型鈑金焊點(diǎn)位置所受應(yīng)力，可讀取其中最大、最小應(yīng)力值，從而計(jì)算出應(yīng)力幅，與測(cè)量點(diǎn)材料疲勞限度值進(jìn)行對(duì)比，得出初步判斷。如下圖13為壞路測(cè)量所得應(yīng)力曲線。

圖13 各工況下應(yīng)力

3.9 判斷基準(zhǔn)

從數(shù)采中導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)，分析測(cè)試數(shù)據(jù)中的最大應(yīng)力σmax及最小應(yīng)力σmin，從而計(jì)算出應(yīng)力幅σa，與測(cè)量點(diǎn)零件材料的疲勞限度σ-1對(duì)比[3]。

σα＜σ-1，判斷OK，不存在疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)；

σa ≥ σ-1，存在耐久后疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行Dm計(jì)算。（具體計(jì)算公式詳見(jiàn)上文，實(shí)際操作中需要使用到Ncode公司旗下的FE-safe等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本文不展開(kāi)說(shuō)明）；

當(dāng) Dm≥1，則判斷NG，存在疲勞破壞的問(wèn)題，否則判斷OK，不存在疲勞破壞問(wèn)題。

4 基于應(yīng)力測(cè)試對(duì)耐久后鈑金開(kāi)裂問(wèn)題的解析及對(duì)策驗(yàn)證案例

為了方便讀者理解本文所述應(yīng)力測(cè)試分析方法，筆者以某車(chē)輛惡路跑行耐久后，出現(xiàn)焊點(diǎn)開(kāi)裂問(wèn)題的案例展開(kāi)說(shuō)明，通過(guò)應(yīng)力測(cè)試進(jìn)行疲勞分析并開(kāi)展對(duì)策驗(yàn)證。

4.1 不良說(shuō)明

某車(chē)型進(jìn)行疲勞耐久跑行后，發(fā)現(xiàn)后地板區(qū)域，后排座椅靠背安裝孔的加強(qiáng)件周邊焊點(diǎn)開(kāi)裂，裂紋從焊點(diǎn)下端根部開(kāi)始往外延伸，總長(zhǎng)約45mm，如下圖14所示：

圖14 鈑金開(kāi)裂圖示

4.2 開(kāi)裂位置應(yīng)力測(cè)試

應(yīng)變片貼伏：

對(duì)相同狀態(tài)未進(jìn)行耐久跑行的完成車(chē)開(kāi)展應(yīng)力測(cè)試，采用單軸應(yīng)變片，適用于一般車(chē)身鈑金零件，采用本人測(cè)試團(tuán)隊(duì)常用的“等比臨摹法”明確應(yīng)變片貼伏位置（焊點(diǎn)下邊緣裂紋起始點(diǎn)），盡可能找到鈑金開(kāi)裂事項(xiàng)車(chē)裂紋位置，減少測(cè)量誤差，避免因測(cè)量誤差導(dǎo)致的多次重復(fù)測(cè)試。如圖15所示，應(yīng)變片測(cè)量有效區(qū)域需要覆蓋焊點(diǎn)外圈邊緣。

圖15 改善后應(yīng)力貼付圖

惡路跑行及數(shù)據(jù)采集：

使車(chē)輛處于標(biāo)準(zhǔn)胎壓及滿載的工況下，在某惡路跑道順時(shí)針、逆時(shí)針各跑行3圈，采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理可得：最大應(yīng)力為181MPa，最小應(yīng)力為-120MPa，應(yīng)力幅為150.5，測(cè)量點(diǎn)適用板材為JSC270C t 0.8mm，抗拉強(qiáng)度≥270MPa，其疲勞限度約為137MPa，則應(yīng)力幅大于疲勞限度，存在耐久后焊點(diǎn)開(kāi)裂的隱患，需要進(jìn)行Dm計(jì)算。且通過(guò)計(jì)算，6圈共跑行6km，其Dm值為0.00183015，換算成8000km，則總Dm值為2.440＞1，因此，存在耐久后疲勞破壞的問(wèn)題。

4.3 不良解析確認(rèn)

通過(guò)分析，逐一確認(rèn)影響因素，從而明確出導(dǎo)致該項(xiàng)不良發(fā)生的末端要因：靠背安裝支架平面度有0.6mm～1.25mm偏差（如下圖16所示），支架與地板安裝面接觸面積不足，從而加大了焊點(diǎn)位置所受應(yīng)力，產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)CAE模擬能再現(xiàn)這種情況，如下圖17所示，靠背安裝支架偏差0.1mm，當(dāng)座椅靠背受力時(shí)，焊點(diǎn)位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，大幅降低焊點(diǎn)的疲勞壽命。但由于0.1mm偏差便會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)應(yīng)力集中，這對(duì)制造精度要求太高，單靠制造精度保證不合理，需要從設(shè)計(jì)上增加車(chē)身強(qiáng)度，才能恒久解決該問(wèn)題。

圖16 分析圖示

圖17 CAE分析圖

4.4 對(duì)策說(shuō)明及驗(yàn)證

4.4.1 恒久對(duì)策說(shuō)明

后排座椅靠背安裝孔的加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)變更，焊點(diǎn)追加，如圖18所示：

圖18 結(jié)構(gòu)變更

4.4.2 對(duì)策后CAE分析及應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

如下圖19所示，對(duì)策后加強(qiáng)件周邊焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度能提升約23.3倍，滿足耐久要求。

圖19 分析結(jié)果

此外，對(duì)策后狀態(tài)按相同工況進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，采集數(shù)據(jù)（節(jié)選）如下圖20所示，最大應(yīng)力44MPa，最小應(yīng)力-65MPa，應(yīng)力幅54.5MPa，小于材料疲勞限無(wú)須無(wú)需進(jìn)行Dm計(jì)算。

因此，判斷對(duì)策后，焊點(diǎn)無(wú)疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)對(duì)策效果OK。

圖20 應(yīng)力測(cè)試

4.4.3 對(duì)策后實(shí)車(chē)耐久試驗(yàn)結(jié)果

由于涉及題涉及到座椅等重要安全零件，團(tuán)隊(duì)還使用對(duì)策后車(chē)身進(jìn)行了耐久試驗(yàn)，確認(rèn)耐久后焊點(diǎn)及周邊鈑金無(wú)開(kāi)裂，如下圖21：

圖21 耐久試驗(yàn)后圖示

綜上，得出結(jié)論：對(duì)策效果良好，對(duì)策后不存在疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)。

4.4.4 案例說(shuō)明總結(jié)

（1）通過(guò)應(yīng)力測(cè)試及疲勞計(jì)算結(jié)合CAE分析，能預(yù)測(cè)對(duì)策后疲勞耐久水平，從而預(yù)判對(duì)策效果，大大提高耐久后鈑金開(kāi)裂不良對(duì)策成功率；

（2）通過(guò)“等比臨摹法”等手段能確保應(yīng)變片貼伏位置的準(zhǔn)確性，減少測(cè)量誤差，以及減少因貼伏位置偏差而導(dǎo)致的重復(fù)試驗(yàn)工時(shí)；

（3）涉及重要安全零件或者其他存在隱患的零件（如座椅、安全帶及底盤(pán)件等），則不能單純通過(guò)CAE分析及應(yīng)力測(cè)試結(jié)果判定對(duì)策效果，還需實(shí)車(chē)重新進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 結(jié)論

應(yīng)力測(cè)試是分析汽車(chē)車(chē)身零件疲勞耐久的常用手段，當(dāng)整車(chē)耐久試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)鈑金疲勞開(kāi)裂問(wèn)題時(shí)，對(duì)未進(jìn)行耐久跑行地對(duì)標(biāo)車(chē)輛相同位置開(kāi)展應(yīng)力數(shù)據(jù)測(cè)量以及疲勞耐久分析，通過(guò)“等比臨摹法”等手段明確應(yīng)變片貼伏位置，減少測(cè)量誤差，盡可能真實(shí)地把握到事項(xiàng)車(chē)開(kāi)裂區(qū)域所受應(yīng)力情況。結(jié)合應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)及CAE仿真結(jié)構(gòu)，能找出有效對(duì)策，并預(yù)判對(duì)策后零件疲勞耐久水平，為對(duì)策實(shí)車(chē)耐久驗(yàn)證提供足夠的信心。