曹 亮

(神龍汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，武漢 430056)

0 前言

近年來(lái)，伴隨著汽車(chē)工業(yè)在中國(guó)的迅猛發(fā)展，聚合物材料的改性技術(shù)和加工技術(shù)也得到了快速發(fā)展，使聚合物及其復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[1]，從傳統(tǒng)的外觀件、非結(jié)構(gòu)件延伸到了功能件、結(jié)構(gòu)件。但采用聚合物材料制作功能件、結(jié)構(gòu)件時(shí)，經(jīng)常容易發(fā)生功能失效的情況，尤其是作為運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件時(shí)，其疲勞壽命、力學(xué)性能衰減和磨損速率等都變得難以預(yù)測(cè)。

本文研究的對(duì)象是某車(chē)型的前圍格柵支架，由于在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用聚合物材料替代鈑金材料，隨著車(chē)輛使用時(shí)間的增加，塑料支架會(huì)產(chǎn)生松垮下塌，從而導(dǎo)致前圍格柵從前擋風(fēng)玻璃上脫落下來(lái)，產(chǎn)生了較大的間隙(如圖1所示)，帶來(lái)諸多不利影響。

圖1 格柵裝飾件脫落示意圖Fig.1 The dropped-down grill decoration

1 問(wèn)題描述

根據(jù)售后的反饋，某車(chē)型的前圍格柵，在新車(chē)使用1年后，會(huì)從前擋風(fēng)玻璃上脫落下來(lái)，打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋檢查發(fā)現(xiàn)，前圍格柵下部的塑料支架出現(xiàn)了松垮下塌的現(xiàn)象(如圖2所示)。

圖2 塑料支架的松垮下塌示意圖Fig.2 The loosed and fell-down plastic support

2 失效的理論分析

(a)關(guān)閉前 (b)關(guān)閉后圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉前后Y0截面圖Fig.3 Y0 section before and after theclose of the engine cover

前圍格柵在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉之前，先安裝在車(chē)身鈑金上，然后與前擋風(fēng)玻璃卡接良好,如圖3(a)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉后，前圍格柵上的橡膠密封泡管受發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板的壓縮而發(fā)生形變，將產(chǎn)生的靜壓力傳遞給格柵裝飾板和其下部的塑料支架,如圖3(b)所示。車(chē)輛行駛時(shí)，塑料支架會(huì)受振動(dòng)疲勞的損傷，車(chē)輛靜止時(shí)，又承受蠕變損傷[2]，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在振動(dòng)疲勞和蠕變的雙重?fù)p傷作用下，塑料支架產(chǎn)生了松垮下塌，使得通風(fēng)蓋板缺少足夠支撐而從前風(fēng)擋玻璃上脫落下來(lái)。

3 失效模式的理論驗(yàn)證

振動(dòng)疲勞和蠕變是2種不同形式的損傷失效模式：振動(dòng)疲勞是隨著施加的恒定動(dòng)態(tài)載荷的循環(huán)次數(shù)增加而發(fā)生斷裂損傷；蠕變則是隨著施加恒定靜態(tài)載荷的時(shí)間延長(zhǎng)而導(dǎo)致形變?cè)黾覽3]。研究振動(dòng)疲勞和蠕變的失效，首先要確定施加載荷的大小。

3.1 施加載荷的求解

如圖4所示，橡膠密封泡管工作時(shí)的理論壓合高度(H)為16 mm，本文通過(guò)對(duì)橡膠密封泡管的分段壓力測(cè)試來(lái)推算橡膠密封泡管在實(shí)車(chē)工況下產(chǎn)生的靜壓力，從而得到施加載荷。

圖4 橡膠密封泡管靜態(tài)自由狀態(tài)斷面示意圖Fig.4 Static section of foamed rubberpipes seal free of load

測(cè)試方法：取6組橡膠密封泡管，長(zhǎng)度為100、200 mm各3組，按照?qǐng)D5、圖6的方式分別在萬(wàn)能(彎曲)試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為CMT4204)進(jìn)行壓縮力測(cè)試，壓力測(cè)試點(diǎn)分別為H-2,H,H+2，測(cè)試數(shù)值記錄如表1示。

根據(jù)表1測(cè)試的數(shù)據(jù)推算得知，實(shí)車(chē)中總長(zhǎng)為1 400 mm的橡膠密封泡管，工作時(shí)產(chǎn)生的靜壓力預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到140 N(過(guò)壓179 N/欠壓89 N)。因此，推算得知塑料支架承受的施加載荷約為140 N。

圖5 橡膠密封泡管壓縮測(cè)試設(shè)備圖Fig.5 Compression testing equipment forformed rubber seal pipes

圖6 壓縮測(cè)試狀態(tài)與裝置圖Fig.6 Compression test and its tools

N

3.2 施加載荷的CAE仿真模擬分析

采用HW11.0/ABAQUS/RADIOSS等軟件對(duì)塑料支架進(jìn)行CAE仿真網(wǎng)格建模(如圖7所示)，施加載荷的區(qū)域定義為中間300 mm范圍內(nèi)，施加載荷(F)為140 N，仿真模擬塑料支架受靜壓時(shí)的變形以及靜剛度值。

圖7 塑料支架網(wǎng)格模型及加載示意圖Fig.7 The mesh model of the plastic support and its load case

由圖8的CAE仿真結(jié)果可知：塑料支架受F=140 N的靜壓載荷時(shí)，將產(chǎn)生10.82 mm的下陷變形(壓強(qiáng)為9 776 MPa)，其靜剛度值為9.246 N/mm。

圖8 載荷施加后的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the plastic support with load load

由此可見(jiàn)，塑料支架的變形較大，且該塑料支架的靜剛度不足，不能為橡膠泡管提供良好的支撐。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉時(shí)，塑料支架會(huì)發(fā)生較大的下陷變形。對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件而言，在受疲勞載荷作用時(shí)，其剛度衰減可以看作是使用壽命的損傷參量[4]。因此，靜剛度較差的塑料支架，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完成其靜剛度的衰減周期，而發(fā)生永久性的松垮下塌。

4 塑料支架的優(yōu)化改進(jìn)

對(duì)塑料支架的改進(jìn)設(shè)計(jì)，首要是提高靜剛度，只有靜剛度提升，才能改善抗蠕變性能和耐疲勞振動(dòng)性能。

4.1 結(jié)構(gòu)型式上的優(yōu)化改進(jìn)

(1)截面設(shè)計(jì)的改進(jìn)。對(duì)塑料支架，在其截面的高度和寬度上，分別進(jìn)行不同程度的增加(如圖9所示)，同時(shí)調(diào)整了橡膠泡管的載荷承載方向(z正向)。

圖9 截面設(shè)計(jì)改進(jìn)示意圖Fig.9 Improved design of the section

(2)宏觀設(shè)計(jì)改進(jìn)。采用圓拱形設(shè)計(jì)(如圖10所示)，將塑料支架設(shè)計(jì)成z向上圓拱形的支撐[設(shè)計(jì)完成的圓拱型半徑(R)約為3 000 mm]，提高支撐強(qiáng)度。

圖10 圓拱形設(shè)計(jì)改進(jìn)示意圖Fig.10 Design improvement by circular arches

4.2 材料的優(yōu)化改進(jìn)

基于文中塑料結(jié)構(gòu)件承受的載荷情況，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉的瞬間要承受沖擊載荷，關(guān)閉后要承受長(zhǎng)期載荷，在車(chē)輛行駛和靜止時(shí)還要承受振動(dòng)和靜壓的循環(huán)載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱源輻射，還使它承受溫度負(fù)荷。

因此，對(duì)該塑料支架進(jìn)行材料選型時(shí)，需要考慮材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、熱變形溫度、蠕變模量及衰減等。

根據(jù)和材料廠(chǎng)商的溝通，決定采用聚丙烯/40 %玻璃纖維(PP/GF40來(lái))替代原有的PP/GF20材料，使得改進(jìn)件在表2、表3所示參數(shù)上獲得優(yōu)勢(shì)。

表2 材料的力學(xué)性能對(duì)比Tab.2 Comparison of mechanical properties of the material

表3 材料的蠕變模量衰減對(duì)比Tab.3 Comparison of the creep modulusattenuation of the material

5 優(yōu)化改進(jìn)方案的CAE模擬驗(yàn)證

5.1 材料優(yōu)化改進(jìn)的提升效果

圖11 材料替換后的仿真分析結(jié)果Fig.11 Simulation results after the material is replaced

對(duì)原塑料結(jié)構(gòu)件支架，采用PP/GF40材料替代原來(lái)的PP/GF20，參照4.2的方法進(jìn)行CAE有限元仿真模擬分析(如圖11所示)，結(jié)果顯示：僅采用材料替換的方法，可以使原設(shè)計(jì)塑料支架的靜剛度提升5.5 %，由9.246 N/mm提高至9.753 N/mm，下陷變形值(ΔS)由10.82 mm降低至10.253 mm。

5.2 材料替換配合設(shè)計(jì)改進(jìn)的提升效果

在實(shí)施材料替換后，再對(duì)塑料支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，并將改進(jìn)后的塑料支架的三維(3D)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，參照4.2的方法進(jìn)行CAE有限元仿真模擬分析(如圖12所示)，結(jié)果顯示：綜合改進(jìn)后的塑料支架下陷變形值ΔS由10.82 mm降低至2.22 mm，靜剛度由9.246 N/mm提高至38.94 N/mm。

圖12 塑料支架改進(jìn)后的仿真分析結(jié)果Fig.12 Simulation results after the plasticsupport is improved

6 改進(jìn)件的實(shí)物驗(yàn)證：振動(dòng)疲勞耐久試驗(yàn)

將改進(jìn)前和改進(jìn)后的塑料支架各2個(gè)，按照裝車(chē)的狀態(tài)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上(如圖13所示)，用作動(dòng)器對(duì)其施加載荷，作用點(diǎn)在塑料支架中間寬300 mm的區(qū)域上，F(xiàn)=140 N(壓力值為最大載荷的2倍時(shí)，方向沿車(chē)身的z-軸；壓力值為最大載荷的0.5倍時(shí)，方向沿車(chē)身的z+軸)，試驗(yàn)頻率(f)為0.75 Hz，設(shè)定試驗(yàn)終止的疲勞壽命為15×104次。評(píng)價(jià)方法：試驗(yàn)結(jié)束后，塑料支架的ΔS≤3 mm，且沒(méi)有出現(xiàn)裂縫或破損。

圖13 塑料支架的振動(dòng)疲勞耐久試驗(yàn)Fig.13 Vibration fatigue endurance testof the plastic support

試驗(yàn)結(jié)果為：(1)改進(jìn)前的塑料支架(2件)分別在21 543、32 649次時(shí)發(fā)生斷裂(如圖14所示)；(2)改進(jìn)后的塑料支架(2件)在試驗(yàn)終止疲勞壽命15×104次時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫或破損(如圖15所示)，ΔS值分別為2.54、2.68 mm。

圖14 改進(jìn)前的塑料支架試驗(yàn)中斷裂狀態(tài)圖Fig.14 The plastic support broken in test before it is improved

圖15 改進(jìn)后的塑料支架試驗(yàn)終止的狀態(tài)圖Fig.15 The plastic support when the test is finished

7 結(jié)論

(1)復(fù)合材料的塑料結(jié)構(gòu)件，通過(guò)提升靜態(tài)剛度可以有效提升其疲勞耐久壽命；

(2)作為一種輔助設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段，CAE模擬技術(shù)在塑料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以幫助計(jì)算得出使用工況下的變形量與靜態(tài)剛度值，再配合相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅可以有效解決開(kāi)發(fā)過(guò)程中周期不足的問(wèn)題，還可以避免單憑理論和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來(lái)的質(zhì)量缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉西文.塑料在“輕量化”汽車(chē)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)塑料，2010，24(12):8-13.

LIU X W. Application and Developing Trend of Plastics Used in “Light Weight” Automobiles[J]. China Plastics, 2010, 24(12): 8-13.

[2] 孫訓(xùn)方，周道祥. 蠕變與疲勞作用下結(jié)構(gòu)元件壽命估算[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,6(4):6-11.

SUN X F, ZHOU D X. Estimated Life Of Configuration Undergone Creep And Fatigue [J]. Journal of Anhui Institute of Architecture, 1998,6(4):6-11.

[3] 胡焱清,李大綱,李 玲,等. 疲勞/蠕變交互作用下塑木復(fù)合材料的斷裂損傷[J].塑料工業(yè)，2007，35(2):44-46.

HU Y Q, LI D G, LI L, et al. Fracture Damage Behavior of Wood/Plastics Composite Under Mutual Action of Fatigue and Creep [J]. China Plastics Industry, 2007, 35(2): 44-46.

[4] 吳富強(qiáng). 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壽命預(yù)測(cè)與疲勞性能衰減研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué)，2008.