孔新星 周丹 李虎強(qiáng) 段志純 葉進(jìn)平 包長(zhǎng)君
(1.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130013;2.長(zhǎng)春一汽富維海拉車(chē)燈有限公司,吉林,長(zhǎng)春 130011;3.浙江嘉利(麗水)工業(yè)股份有限公司,浙江 麗水 323000)
主題詞:貫穿式尾燈 蠕變 試驗(yàn) 殘余內(nèi)應(yīng)力 定位安裝應(yīng)力 靜態(tài)壽命
隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展,汽車(chē)除了在產(chǎn)品性能上不斷提升外,消費(fèi)者對(duì)整車(chē)的外觀要求也日益提高,產(chǎn)品造型已成為行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。車(chē)燈作為汽車(chē)外飾最活躍的點(diǎn)睛之筆,更是專(zhuān)注于設(shè)計(jì)感的體現(xiàn)。2012年林肯MKZ使用貫穿式尾燈打開(kāi)了尾燈設(shè)計(jì)的新風(fēng)尚—貫穿式尾燈。其具有更高的辨識(shí)度、更佳的視覺(jué)延展效果,廣受消費(fèi)者喜歡。從2014年開(kāi)始,奧迪A8、保時(shí)捷MACAN、雷克薩斯UX、紅旗EHS3等配備貫穿式尾燈的車(chē)型相繼推出。
雖然尾燈在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮材料的許用應(yīng)力。但是對(duì)于PMMA(有機(jī)玻璃)材質(zhì)在應(yīng)力較長(zhǎng)期作用下蠕變開(kāi)裂的研究卻很少,這也是導(dǎo)致市場(chǎng)上尾燈燈罩開(kāi)裂投訴多的根本原因[1-2]。
本文從燈罩的蠕變角度出發(fā),重點(diǎn)對(duì)某車(chē)型貫穿式尾燈的燈罩進(jìn)行相關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)分析(圖1)。本文研究的尾燈長(zhǎng)度接近1.2 m,色面罩采用的是日本公司的U400型號(hào)PMMA材料,拉伸強(qiáng)度為70 MPa,壓縮強(qiáng)度為108.3 MPa。
圖1 某車(chē)型貫穿式尾燈
PMMA材質(zhì)的蠕變是指在一定的溫度和恒定應(yīng)力作用下,材料的應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象。圖2為蠕變曲線示意圖,表明有機(jī)玻璃的蠕變分為三個(gè)階段:
在第一階段,應(yīng)變不斷增大,但應(yīng)變率隨時(shí)間減??;
在第二階段,應(yīng)變率恒定,應(yīng)變以常速率增大;
在第三階段,應(yīng)變率迅速增加,應(yīng)變也急劇變大直到材料失效。
蠕變對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能有很大的影響,將直接影響使用壽命。
圖2 蠕變曲線示意圖[3]
對(duì)貫穿式尾燈的性能研究,首先要了解和掌握材料在特定條件下長(zhǎng)期的力學(xué)性能。本章通過(guò)蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)參照ISO 4600標(biāo)準(zhǔn),對(duì)燈罩同種材料型號(hào)的PMMA試樣進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。
針對(duì)汽車(chē)的工作使用環(huán)境,尾燈不可能出現(xiàn)應(yīng)力或溫度突變的情況,任何一個(gè)較短時(shí)期內(nèi),都可以視為恒載恒溫的蠕變過(guò)程。因此選擇3種應(yīng)力水平分別為5 MPa、15 MPa、25 MPa(應(yīng)力水平低、中、高),4種溫度為-40℃、20℃、60℃以及85℃(工作環(huán)境溫度低、中、高以及退火溫度),共12個(gè)試樣進(jìn)行材料蠕變性能分析。
圖3 蠕變?cè)囼?yàn)樣件[4]
材料廠提供了59 mm×10 mm×4 mm的啞鈴型拉伸試樣(圖3)。使用日本島津DCS250型號(hào)蠕變?cè)囼?yàn)分析儀(圖4),進(jìn)行3 h內(nèi)的短期蠕變?cè)囼?yàn),在5 000 s內(nèi)每隔10 s自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。
圖4 蠕變?cè)囼?yàn)分析儀
圖5 為試樣在環(huán)境溫度下各應(yīng)力水平的短期蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果,“↑”表示試樣進(jìn)入應(yīng)變第三階段。通過(guò)結(jié)果可以看出,在低應(yīng)力水平下(低于25 MPa)蠕變較為緩慢,處于減速蠕變和穩(wěn)定蠕變階段,可以較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)應(yīng)力為25 MPa,溫度為60℃時(shí),材料表現(xiàn)為加速蠕變,即應(yīng)變隨時(shí)間變化快速增長(zhǎng)。
圖5 環(huán)境溫度下應(yīng)變-時(shí)間曲線
試樣在85℃的退火溫度下,應(yīng)變有較大增加,25 MPa應(yīng)力下試樣發(fā)生斷裂(圖6)。該組蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果是退火應(yīng)力松弛過(guò)程的另一種表達(dá)形式,對(duì)于通過(guò)CAE軟件仿真驗(yàn)證有著重要意義。
圖6 退火溫度下應(yīng)變-時(shí)間曲線
貫穿式尾燈的應(yīng)力主要由內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力兩部分疊加而成。產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力主要是產(chǎn)品在注塑過(guò)程中產(chǎn)生的流動(dòng)殘余應(yīng)力、熱殘余應(yīng)力,焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力,以及退火應(yīng)力松弛后仍殘余未釋放的應(yīng)力;而外應(yīng)力則是受產(chǎn)品制件公差的影響,與車(chē)身安裝時(shí)所產(chǎn)生的裝配應(yīng)力[5]。
蔣蘭芳等[6]對(duì)燈罩焊接的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行CAE的仿真,通過(guò)仿真手段分析了燈罩退火的應(yīng)力松弛過(guò)程,并且驗(yàn)證了熱板焊對(duì)除焊接筋外的面罩區(qū)域應(yīng)力影響很小。貫穿式尾燈在面罩上的殘余應(yīng)力,主要受注塑成型過(guò)程與退火工藝影響。
借助前處理軟件HYPERMESH對(duì)燈罩進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入注塑仿真軟件MOLDFLOW中計(jì)算。在MOLDFLOW中可以求得節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、材料機(jī)械性能參數(shù)等數(shù)據(jù)(圖7)。
圖7 MOLDFLOW分析燈罩變形云圖
圖8 MOLDFLOW分析燈罩膜內(nèi)殘余應(yīng)力云圖
通過(guò)殘余應(yīng)力云圖(圖8)可以看出,燈罩在寬度變化區(qū)域以及柱腳位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中。使用宏命令mpi2ans.vbs將仿真結(jié)果導(dǎo)出為ist文件,供ANSYS對(duì)成型燈罩做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析(各種應(yīng)力、蠕變過(guò)程等)。
在ANSYS軟件中選擇隱式蠕變分析方法,其對(duì)于溫度、時(shí)間相關(guān)的塑性變形有較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。將網(wǎng)格設(shè)置為SOLID185單元并對(duì)材料的蠕變屬性進(jìn)行定義。軟件提供有13種蠕變模型,本文第一章已經(jīng)對(duì)材料退火溫度(85℃)下的蠕變進(jìn)行了試驗(yàn),注塑后殘余應(yīng)力屬于中等水平,因此選用第6種Modified Stain Hardening模型對(duì)15 MPa_85℃的蠕變曲線進(jìn)行擬合。
式中εcr為應(yīng)變、σ為應(yīng)力、T為絕對(duì)溫度、t為每個(gè)子步結(jié)束的時(shí)間;C1、C2、C3、C4都是材料常數(shù)(表1)。
表1 擬合結(jié)果
結(jié)合尾燈退火工藝,設(shè)置每個(gè)子步為15 min,計(jì)算總周期為75 min。仿真的結(jié)果如圖9所示,燈罩的殘余應(yīng)力在經(jīng)歷了退火應(yīng)力松弛之后,應(yīng)力從最大的15.35 MPa降低至了5.74 MPa,這一結(jié)果可以認(rèn)為是貫穿式尾燈PMMA燈罩上的殘余內(nèi)應(yīng)力。
圖9 退火后燈罩殘余應(yīng)力云圖
產(chǎn)品的外應(yīng)力主要是裝配應(yīng)力,其產(chǎn)生的主要原因一是尾燈與后背門(mén)鈑金產(chǎn)品都存在制件公差,二者自然狀態(tài)下并未完全貼合??紤]到車(chē)身剛度遠(yuǎn)大于尾燈,因此在裝配鎖附螺釘時(shí),會(huì)強(qiáng)制尾燈變形以保證與鈑金貼合。
貫穿式尾燈與后背門(mén)鈑金在自然狀態(tài)下的X向距離,是裝配應(yīng)力的最大影響因素。圖10為產(chǎn)品的幾何公差(GD&T)圖,其中A1、A4為銷(xiāo)定位,A2、A6、A8、A9為螺栓定位。
圖10 后背門(mén)鈑金及尾燈GD&T圖
隨機(jī)選擇3組未安裝的后尾燈與后背門(mén),在保證主定位銷(xiāo)A1貼合的情況下測(cè)量其它5個(gè)定位點(diǎn)X方向的距離(表 2)。
表2 實(shí)物測(cè)量結(jié)果/mm
為了便于與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,選擇實(shí)測(cè)2的數(shù)據(jù)在ANSYS中約束位移進(jìn)行仿真。計(jì)算結(jié)果如圖11所示。燈罩A4、A6定位點(diǎn)的中間區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中,最大達(dá)到了17.5 MPa。該結(jié)果可以認(rèn)為是貫穿式尾燈PMMA燈罩上由裝配帶來(lái)的外應(yīng)力。
圖11 裝配應(yīng)力云圖
劉紅等[7]根據(jù)應(yīng)力線性疊加原理提出了載荷法測(cè)量產(chǎn)品殘余應(yīng)力:在彈性范圍內(nèi),假設(shè)尾燈結(jié)構(gòu)已存在的應(yīng)力為σa,其主要由前文分析的殘余內(nèi)應(yīng)力與裝配應(yīng)力疊加構(gòu)成。此時(shí)人為再施加一個(gè)外載荷,產(chǎn)生的應(yīng)力為σb,則產(chǎn)品最終的應(yīng)力狀態(tài)為:
σb可以通過(guò)在ANSYS中模擬該載荷仿真求得,σc1則可以通過(guò)加載試驗(yàn)應(yīng)變花測(cè)量。通過(guò)有限元與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合反向求出σa,并與前文仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證仿真算法的有效性:
(1)根據(jù)前文的仿真結(jié)果,在燈罩應(yīng)力顯著、便于應(yīng)變花測(cè)量的平整區(qū)域選擇測(cè)點(diǎn)N139551、加載點(diǎn)N139517并施加40 N的X方向載荷(圖12)。
圖12 載荷法測(cè)點(diǎn)及加載點(diǎn)示意圖
軟件仿真后提取測(cè)點(diǎn)N139551在全局坐標(biāo)系的應(yīng)力結(jié)果。
(2)根據(jù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),借助手持三坐標(biāo)設(shè)備在第二組實(shí)物燈上找到相應(yīng)點(diǎn),使用3軸45°應(yīng)變花橋接法連接應(yīng)變儀。并施加40 N的X方向載荷,根據(jù)應(yīng)變花公式算出局部坐標(biāo)系下平面應(yīng)力值。
(3)將應(yīng)力張量轉(zhuǎn)換為同一坐標(biāo)系下進(jìn)行(3)式的線性疊加。節(jié)點(diǎn)N139517需要繞Z軸旋轉(zhuǎn)9°得到坐標(biāo)系x’-y’-z;接著繞x’軸旋轉(zhuǎn)88°得到x’-y’’-z’;最后繞y’’軸再旋轉(zhuǎn)108°完成轉(zhuǎn)換,坐標(biāo)變換矩陣為:
應(yīng)力變換矩陣為:
式中σq為全局坐標(biāo)系下應(yīng)力,TT為坐標(biāo)變換矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。對(duì)σ仿真q進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后二維平面應(yīng)力近似為:
將2.1節(jié)、2.2節(jié)分析的燈罩殘余內(nèi)應(yīng)力與裝配應(yīng)力進(jìn)行疊加后進(jìn)行(4)式坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,并與載荷法計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。
表3 殘余應(yīng)力分析/MPa
通過(guò)仿真結(jié)果與載荷法計(jì)算的結(jié)果相比對(duì),偏差在10%~22%之間(表3),但是應(yīng)力趨勢(shì)完全一致,通過(guò)仿真方法可以對(duì)尾燈應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有效的評(píng)估。
宋名實(shí)[8]提出聚合物材料的破壞時(shí)形變性能、分子鏈應(yīng)力集中情況和分子鏈斷裂動(dòng)力學(xué)三者的統(tǒng)一作用體現(xiàn),提出了具有一般形式的蠕變持久強(qiáng)度模型:
式中K是材料相關(guān)的常數(shù),U0是流動(dòng)活化能,是分子鏈斷鍵活化能,k是Boltzmann常數(shù),T為絕對(duì)溫度;n是正整數(shù),tf是斷裂時(shí)間。對(duì)于變量y有[8]:
其中,β為活化體積,σT為總應(yīng)力,σf為斷裂時(shí)應(yīng)力,m0和mf是初始和斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)率,vi0和vif以是初始和斷裂時(shí)的應(yīng)力集中鏈數(shù)。
式(5)可以用來(lái)模擬三種斷裂表征方程:準(zhǔn)脆性狀態(tài)粘彈性蠕變斷裂方程、受迫高彈狀態(tài)下蠕變斷裂方程、高彈狀態(tài)蠕變方程??紤]尾燈斷裂一般屬于應(yīng)力中低水平下長(zhǎng)期蠕變變形造成,因此選擇準(zhǔn)脆性狀態(tài)粘彈性蠕變斷裂方程,即(a/y)<<1和y>>n>1,式(5)可以近似為:
帶入K和y,則(6)式變換為:
對(duì)于尾燈產(chǎn)品,在材料、工藝都保持一致性的情況下,在特定的溫度下,C、n都為固定的常數(shù)。再次進(jìn)行2.1章節(jié)中的材料蠕變?cè)囼?yàn),選擇尾燈最?lèi)毫拥墓ぷ鳝h(huán)境溫度60℃,應(yīng)力分別為40 MPa、45 MPa、50 MPa、55 MPa,記錄時(shí)間試樣斷裂時(shí)間。對(duì)式(8)進(jìn)行線性擬合,如圖13所示。尾燈燈罩在60℃工作環(huán)境下應(yīng)力-壽命模型為:1ntf=31.452-5.1891 1nσf(10)
圖13 應(yīng)力-壽命擬合結(jié)果
根據(jù)第2章節(jié)對(duì)貫穿式尾燈產(chǎn)品的仿真分析,產(chǎn)品最大應(yīng)力為17.89 MPa,代入式(10)計(jì)算得出斷裂時(shí)間為tf≈4年,滿足尾燈設(shè)計(jì)壽命要求。
(1)通過(guò)對(duì)某貫穿式尾燈燈罩PMMA材料的進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)分析,發(fā)現(xiàn)在尾燈工作環(huán)境溫度下,應(yīng)力水平是造成尾燈燈罩開(kāi)裂的關(guān)鍵。
(2)借助軟件HYPERMESH、MOLDFLOW、ANSYS的聯(lián)合使用,可以有效的仿真出貫穿式尾燈的應(yīng)力水平,與載荷法試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致,為工程設(shè)計(jì)提供了方向和參考。
(3)根據(jù)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立應(yīng)力—壽命的估算模型,為貫穿式尾燈產(chǎn)品壽命的評(píng)估有指導(dǎo)性的作用。