面向總成的低溫沖擊試驗(yàn)研究

何洋，許玉曼，夏添，楊雨圣，盧朋朋

（1. 東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058 2. 襄陽(yáng)達(dá)安汽車檢測(cè)中心，襄陽(yáng) 441004）

面向總成的低溫沖擊試驗(yàn)研究

何洋1，許玉曼1，夏添2，楊雨圣1，盧朋朋1

（1. 東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058 2. 襄陽(yáng)達(dá)安汽車檢測(cè)中心，襄陽(yáng) 441004）

低溫沖擊是檢驗(yàn)總成低溫脆性的有效手段之一，而現(xiàn)有針對(duì)總成的試驗(yàn)方法和設(shè)備的研究較為缺乏。結(jié)合實(shí)際工程需求，提出了一種面向大型總成的低溫沖擊試驗(yàn)方法；基于有限元法（FEM），設(shè)計(jì)了一套大沖擊功低溫試驗(yàn)設(shè)備；最后通過(guò)某型后橋總成的低溫沖擊試驗(yàn)，證明了所述試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的正確性。

零部件總成；低溫沖擊；試驗(yàn)方法；試驗(yàn)設(shè)備；低溫脆性

何 洋

畢業(yè)于山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，碩士研究生，現(xiàn)任東風(fēng)技術(shù)中心工程師，研究方向?yàn)檎嚰傲悴考煽磕途眯栽囼?yàn)。

材料在低溫條件下的韌脆轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致零件在低應(yīng)力水平下也會(huì)發(fā)生脆性斷裂[1]。低溫脆斷較其他失效形式更加難以預(yù)防，造成的危害往往十分巨大。當(dāng)前，零部件總成大多基于材料的低溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算校核，由于零件設(shè)計(jì)、加工等因素影響[2]，致使采用該方法推導(dǎo)而得的結(jié)果不如基于總成的低溫沖擊結(jié)果直接、準(zhǔn)確，加之大型總成對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法的要求與其他類型樣件存在差異，導(dǎo)致可供參考的試驗(yàn)方法及設(shè)備較少，相應(yīng)的研究亦較為缺乏。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際需求，提出了一種面向大型總成的低溫沖擊試驗(yàn)方法；基于FEM，設(shè)計(jì)了一套大沖擊功低溫試驗(yàn)設(shè)備；最后利用上述試驗(yàn)設(shè)備和方法，復(fù)現(xiàn)了某型后橋的失效過(guò)程并測(cè)得了沖擊功，證明了所述試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)設(shè)備的正確性。

1 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)

大型總成對(duì)沖擊功要求較高，導(dǎo)致所需沖擊試驗(yàn)機(jī)形體偏大，為節(jié)約成本，環(huán)境箱不覆蓋沖擊試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)可分為兩部分：1、低溫環(huán)境箱，2、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。環(huán)境箱在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)覆蓋在試件上方，冷浸預(yù)處理完成后從試件上方吊離。

1.1 低溫環(huán)境箱設(shè)計(jì)

當(dāng)前低溫沖擊常用冷源及特性如表1所示[3]，通常自然環(huán)境不會(huì)低于-90 ℃，對(duì)于一般總成試驗(yàn)而言，液氮即可較好的滿足使用需求。

表1 常用冷源特性

液態(tài)氮?dú)鉁囟葮O低，若直接接觸試件，極易造成試件表層溫度分布驟變，從而形成裂紋破壞試件，因此液氮在進(jìn)入環(huán)境箱時(shí)，需在低溫箱中提前與高壓室溫氣體混合，再通過(guò)箱體內(nèi)部的蜂窩孔均勻噴撒在試件上。利用低溫氣體下沉、高溫氣體上浮原理，將液氮入口布置在高壓室溫氣體上方，有利于兩種不同溫度氣體的充分混合，同時(shí)高壓氣體的高流速有利于混合好的氣體在低溫箱中進(jìn)行擴(kuò)散，環(huán)境箱整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該形式的環(huán)境箱整體結(jié)構(gòu)剛度好，質(zhì)量輕，便于吊裝，且制造成本低廉，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，其同時(shí)具備較好的保溫隔熱效果。

1.2 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型總成除沖擊功要求外，通常對(duì)碰撞方向控制要求也較高。為滿足以上需求，采用四根擺臂下掛箱體式?jīng)_擊錘的擺錘設(shè)計(jì)方案。箱體為后續(xù)增加配重提供了空間，兩組平行四邊形機(jī)構(gòu)可在保證強(qiáng)度、剛度要求的同時(shí)，確保在任意位置撞擊試件時(shí)錘頭始終保持水平，使撞擊方向更易控制，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)擺錘撞擊試件反彈后，鎖止桿升起并將擺錘鎖止，以防止擺錘對(duì)試件造成二次沖擊傷害。

1.3 基于FEM的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

由于沖擊試驗(yàn)機(jī)具備中間對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取其一半進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格。為滿足碰撞分析網(wǎng)格劃分要求，對(duì)三角形單元比例以及單元長(zhǎng)寬比等參數(shù)進(jìn)行了控制[4]，所得有限元模型如圖4所示。采用剛度沙漏控制法，控制系數(shù)設(shè)定為0.06[5]，避免了沙漏現(xiàn)象的出現(xiàn)。以設(shè)計(jì)工況的1.5倍為邊界條件，得出沖擊試驗(yàn)機(jī)最大馮·米塞斯應(yīng)力為285.1 MPa如圖5所示，低于330 MPa的屈服極限,當(dāng)前的設(shè)計(jì)滿足了現(xiàn)有試驗(yàn)要求。

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 樣件預(yù)制

當(dāng)前低溫沖擊試驗(yàn)冷浸一般采用恒溫冷凍，冷浸時(shí)間通常為5～15分鐘[6,7]。近期研究表明，冷卻速率、冷凍溫度以及冷凍時(shí)間均會(huì)對(duì)零部件總成的低溫特性造成較大影響[8]，因此，如圖6所示將冷浸過(guò)程設(shè)計(jì)為如下三個(gè)階段：

初期階段：為了模擬自然環(huán)境下的低溫工況，在冷卻初期溫度下降速率設(shè)計(jì)偏緩，以避免零部件總成過(guò)脆或出現(xiàn)凍裂，從而影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性；

中期階段：根據(jù)傳熱學(xué)理論，短時(shí)間內(nèi)零部件總成溫度一般要高于冷媒溫度[9]，因此當(dāng)環(huán)境箱溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，還應(yīng)繼續(xù)將溫度調(diào)低5%～10%左右并保持一段時(shí)間，以達(dá)到迅速冷卻零部件總成溫度的目的。

末期階段：冷凍末期，應(yīng)將溫度緩慢回調(diào)到試驗(yàn)溫度并保持較長(zhǎng)時(shí)間，以便于零部件總成材料性能充分完成轉(zhuǎn)變。

2.2 沖擊功的測(cè)量計(jì)算

當(dāng)前計(jì)算沖擊功的方法主要有兩種：1、GB/T229-1994中以計(jì)算擺錘勢(shì)能變化求解沖擊功，2、通過(guò)測(cè)量沖擊力和位移來(lái)計(jì)算沖擊功[10]。擺錘沖擊試驗(yàn)下落過(guò)程中，軸承摩擦等不可控因素會(huì)吸收部分勢(shì)能，加之位移及力信號(hào)時(shí)間歷程測(cè)量難度及費(fèi)用較高，導(dǎo)致兩種方法應(yīng)用過(guò)程中均存在一定的局限。結(jié)合沖擊試驗(yàn)特點(diǎn)，提出以測(cè)量擺錘碰撞前后的速度來(lái)求解沖擊功，所需設(shè)備僅為一個(gè)速度傳感器，計(jì)算公式如式1所示。式中，J 為沖擊功，m 為沖擊錘碰撞位置的當(dāng)量質(zhì)量，vt為撞擊后的沖擊錘速度，v0為撞擊前沖擊錘速度。

3 后橋零部件總成低溫沖擊試驗(yàn)

某型車在進(jìn)行寒區(qū)試驗(yàn)時(shí)，后橋某處出現(xiàn)了低溫脆斷現(xiàn)象。為驗(yàn)證后橋低溫脆性是否滿足使用需求，需進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)。將車橋在環(huán)境箱中冷凍，溫度控制曲線如圖6所示，之后將沖擊錘舉升到設(shè)定高度并讓其自由落下撞擊車橋，車橋在與寒區(qū)試驗(yàn)時(shí)相同位置發(fā)生了脆性斷裂，如圖7所示。測(cè)量撞擊前后沖擊錘速度，根據(jù)式1計(jì)算出沖擊功為1620J，證明了后橋在縱臂部位抗低溫脆斷性能存在不足，為后續(xù)改善提供了依據(jù)。

4 總結(jié)

（1） 結(jié)合實(shí)際工程需求，針對(duì)大型總成特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和低溫環(huán)境箱，并基于FEM驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。所述環(huán)境箱及沖擊試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過(guò)使用實(shí)踐，證明其結(jié)構(gòu)合理、工作性能良好；闡述的基于CAE驗(yàn)證分析方法,可為其他沖擊、碰撞類試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)提供參考。

（2） 針對(duì)現(xiàn)有低溫沖擊試驗(yàn)研究的不足，提出了一套面向大型總成的低溫沖擊試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)溫度控制、沖擊功的計(jì)算等方法進(jìn)行了論述，所述內(nèi)容對(duì)現(xiàn)有沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行了有效補(bǔ)充。

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專家推薦

李鴻飛：

低溫沖擊性能是結(jié)構(gòu)件非常重要的指標(biāo)。由于相關(guān)設(shè)備昂貴等條件限制。大部分大尺寸的零部件的低溫沖擊性能只能在實(shí)際應(yīng)用中得到檢驗(yàn)。本文介紹了一種低成本的試驗(yàn)方案。并實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證可行，有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

The Study on Low-temperature Impact Test for Parts Assembly

HE Yang1, XU Yu-man1, XIA Tian2, YANG Yu-sheng1, LU Peng-peng1
( 1.Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan 430058, China 2.Xiangyang Daan Autompbile Test Center, Xiangyang 441004, China )

An effective means to verify the brittleness of parts assembly at low temperature is low temperature impact test, but the existing researches about test methods and equipment for parts assembly are rather lacking. With the actual project requirements, proposed a low-temperature impact test method for parts assembly, designed a lowtemperature impact test equipment, verifying the rationality of design based on FEM as well. Finally through a certain type of rear axle's low-temperature impact test, proved that the designs of low-temperature impact test method as well as equipment are correct.

Parts assembly; Low-temperature impact test; Low-temperature impact equipment; Black brittleness; FEM

C33

A

1005-2550（2016）01-0064-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.013

2015-05-19