王勇哲　李旭偉　王恩鵬

摘 要：抗凹性是評(píng)價(jià)車身外覆件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是反映車身剛度性能的指標(biāo)之一。本文利用新型試驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)分析方法，在某車型白車身上進(jìn)行了車身外覆件抗凹性試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比及理論分析，與傳統(tǒng)抗凹試驗(yàn)相比，試驗(yàn)條件與實(shí)車狀況更為接近，試驗(yàn)結(jié)果更具指導(dǎo)意義，該試驗(yàn)方法也可為此類剛度試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：抗凹性;車身外覆件;車身剛度

隨著汽車消費(fèi)理念的升級(jí)以及石油資源的不斷消耗，為降低汽車消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)以及滿足國(guó)家節(jié)能降耗的要求，目前各個(gè)整車廠都在對(duì)車身外覆件進(jìn)行輕量化處理。另外當(dāng)前汽車外覆件的另一發(fā)展趨勢(shì)就是大曲面流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即覆蓋件外型趨于平坦，這種流線型設(shè)計(jì)能夠有效降低風(fēng)阻，從而降低油耗。然而鈑金材料的厚度和曲率是影響外覆件剛度的兩個(gè)主要因素，板材的厚度越小，曲率越小，剛度越小。覆蓋件的這兩種發(fā)展趨勢(shì)使汽車覆蓋件的剛度問(wèn)題越來(lái)越突出。

在汽車受到積雪、按壓等靜態(tài)載荷以及飛沙石子沖擊等動(dòng)態(tài)載荷時(shí)，因外覆件剛度的下降，所以容易在其表面出現(xiàn)凹陷變形甚至永久性的凹坑，這些都會(huì)影響汽車的外觀品質(zhì)，降低消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)欲望，影響車輛的銷量。因此，整車廠在進(jìn)行車身輕量化及大曲面流線型設(shè)計(jì)的同時(shí)，也將汽車外覆件的抗凹性作為一項(xiàng)重要的考核依據(jù)，作為衡量車身剛度性能的重要指標(biāo)。

1 抗凹性研究發(fā)展介紹

車身的抗凹性是指外覆件在承受載荷時(shí)，其抵抗變形保持原有形狀的能力。目前各整車廠及零部件供應(yīng)商主要通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)試兩種方法對(duì)車身抗凹性進(jìn)行研究。研究流程依次為覆蓋件材料的選取，覆蓋件成型工藝、后處理工藝以及外覆件實(shí)際抗凹性。數(shù)值仿真方法方便快捷，可同時(shí)對(duì)不同材料，不同成型工藝、后處理工藝的外覆件進(jìn)行模擬分析，縮短研發(fā)時(shí)間。試驗(yàn)測(cè)試方法相對(duì)繁瑣，但能更加真實(shí)的反應(yīng)外覆件的抗凹性能，試驗(yàn)方法按照加載方式還可分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩種。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)外覆件的試驗(yàn)研究主要集中在板材的選取以及成型工藝上，2004年寶鋼的汪成璞對(duì)不同材料的板材在不同加工硬化和應(yīng)變硬化狀態(tài)下的靜態(tài)抗凹性進(jìn)行了研究分析[1]，發(fā)現(xiàn)在相同載荷條件下屈服強(qiáng)度高的材料抗凹性能更好。2015年，哈爾濱工程大學(xué)的趙麗紅、邢忠文等以雙曲扁殼作為研究對(duì)象，完成了雙曲扁殼的成形試驗(yàn)和剛度測(cè)試試驗(yàn)[2]，研究了壓邊力、拉伸深度、約束等對(duì)剛度的影響規(guī)律。王亮等人開(kāi)發(fā)了一臺(tái)車身覆蓋件自動(dòng)抗凹性試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)加載壓頭的自動(dòng)法向調(diào)整[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)靜態(tài)抗凹試驗(yàn)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)方法，壓頭尺寸，加載速度皆有不同要求。而且常見(jiàn)的抗凹試驗(yàn)一般都采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)單一外覆件進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于車身覆蓋件本身尺寸較大，以及不同廠家不同的外覆件形狀設(shè)計(jì)，對(duì)于車身外覆件抗凹性能方面的試驗(yàn)和檢測(cè)很受限，難以實(shí)現(xiàn)原件的試驗(yàn)，只能進(jìn)行比例縮小件或簡(jiǎn)化件的試驗(yàn)，因此試驗(yàn)很難模擬外覆件真實(shí)受力狀態(tài)，結(jié)果難具有指導(dǎo)性。

本文通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)方法選取ABB六自由度機(jī)器人對(duì)國(guó)內(nèi)某整車廠白車身外覆件抗凹性能進(jìn)行了剛度及殘余變形檢測(cè)。與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比，本次試驗(yàn)直接在完整白車身上進(jìn)行，試驗(yàn)效率提高，更為重要的是外覆件的安裝條件與實(shí)車一致，試驗(yàn)結(jié)果更具有參考價(jià)值。

2 抗凹性試驗(yàn)介紹

本次試驗(yàn)選用ABB六自由度機(jī)器人對(duì)完整白車身進(jìn)行抗凹性測(cè)試，機(jī)器人設(shè)備如圖1所示。此設(shè)備最大負(fù)載150kg，機(jī)械臂最大可觸及范圍2.2m，重復(fù)定位精度±0.03mm。配有一套帶觸摸面板的控制器，同時(shí)測(cè)試信號(hào)監(jiān)視器可以對(duì)載荷和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集?？拱夹詼y(cè)試加卸載程序及數(shù)據(jù)采集程序委托ACTS公司開(kāi)發(fā)。試驗(yàn)中可以選取載荷控制和位移控制兩種加載方式，加載速度可根據(jù)不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改。設(shè)備加載臂前端配有載荷傳感器和位移傳感器，數(shù)據(jù)采集軟件在控制器的后臺(tái)運(yùn)行，該系統(tǒng)可以在任何時(shí)間啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)采集。所有數(shù)據(jù)將被儲(chǔ)存在一個(gè)ASCII文件中，這些數(shù)據(jù)可以很容易的導(dǎo)入到分析軟件中。該設(shè)備采用多電機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置，可以針對(duì)各類曲面形狀上的任一點(diǎn)做三維空間調(diào)整，已完成對(duì)被測(cè)點(diǎn)施加法向載荷，準(zhǔn)確測(cè)得外覆件的剛度值。

白車身外覆件裝配鎖扣、密封條，減震塊，與實(shí)車狀態(tài)保持一致。本次試驗(yàn)固定方式分為兩種：一、在對(duì)車門(mén)、引擎蓋及后備箱進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，用壓板壓住前后防撞梁，同時(shí)在底盤(pán)上有一些安裝點(diǎn)，利用螺栓和滑塊，將車身固定在鐵地板上。二、在對(duì)車頂進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于機(jī)器人高度的限制，需將車身翻轉(zhuǎn)90°，在車身底盤(pán)后方放置兩個(gè)長(zhǎng)方箱，將車身上的一些安裝點(diǎn)通過(guò)螺栓與長(zhǎng)方箱固定在一起。在底盤(pán)位置水平放置激光傳感器，監(jiān)測(cè)車身可能出現(xiàn)的水平滑動(dòng)。

白車身外覆件上的待測(cè)點(diǎn)由整車廠客戶在三維模型中選取后提供每個(gè)測(cè)點(diǎn)的參考原點(diǎn)及在參考原點(diǎn)坐標(biāo)系下待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。為保證選點(diǎn)的精度，利用Hexgon7軸絕對(duì)臂測(cè)量機(jī)建立相應(yīng)的局部坐標(biāo)系后，在白車身上精確選取測(cè)試點(diǎn)。本次試驗(yàn)選取一次加載法，采用載荷控制模式緩慢施加130N載荷后卸載，加載卸載時(shí)間為30s。試驗(yàn)如圖2所示。

ABB六自由度機(jī)器人位移坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)器人底座中心，Z軸豎直向上。載荷坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為壓頭中心，Z軸為壓頭軸心方向，傳感器采樣頻率均為100Hz。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得到加卸載過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的三個(gè)方向的位移和載荷分量。為消除傳感器零飄等影響，在數(shù)據(jù)處理時(shí)首先需對(duì)分量數(shù)據(jù)進(jìn)行清零處理。其次考察外覆件的抗凹性能需要連續(xù)的加卸載曲線，因此需要合成三個(gè)方向的分量。在合成前，需對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將固定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到試驗(yàn)開(kāi)始前壓頭中心的局部坐標(biāo)系。在試驗(yàn)開(kāi)始的幾秒內(nèi)，壓頭并沒(méi)有接觸到外覆件，因此分量合成后，需要?jiǎng)h除掉無(wú)效數(shù)據(jù)。最后選取加卸載5N之間的數(shù)據(jù)作為最終的有效數(shù)據(jù)。在完整的加卸載曲線中，可以得出外覆件測(cè)試點(diǎn)的最大變形量以及殘余變形?？拱紕偠戎狄宰畲筝d荷除以最大位移的結(jié)果表示。

3 數(shù)據(jù)分析

外覆件在靜態(tài)載荷作用下變形會(huì)出現(xiàn)三個(gè)明顯的剛度響應(yīng)階段，分別為彈性階段，塑性階段以及硬化階段如圖3所示。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和對(duì)比發(fā)現(xiàn)三類特殊的變形曲線。（1）殘余變形為0。如圖4所示。零件實(shí)際弧高是一個(gè)影響抗凹剛度的決定參數(shù)。外覆件受集中載荷發(fā)生變形時(shí)，由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力承擔(dān)載荷，弧高的增大，膜應(yīng)力在總應(yīng)力中的占比會(huì)增大，因此增加了殼體的承載能力，外覆件產(chǎn)生凹痕所需的能量就會(huì)變大。因此認(rèn)為在試驗(yàn)中，白車身的一些測(cè)量點(diǎn)在130N的載荷下不足以進(jìn)入塑性區(qū)，仍然處于彈性階段，卸載后殘余變形為零。

為比較不同載荷下，覆蓋件的抗凹剛度，增大載荷至400N，可以從圖5中明顯看出，殘余變形增大。一些小載荷下的彈性變形測(cè)點(diǎn)進(jìn)入了塑性區(qū)。

（2）覆蓋件在發(fā)生凹陷變形的階段，會(huì)產(chǎn)生所受載荷不變而位移持續(xù)增大的現(xiàn)象。在加載過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)的載荷位移曲線發(fā)生了較為明顯的油罐效應(yīng)，如圖6所示。

（3）外覆件在加載過(guò)程中會(huì)突然出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，一些數(shù)據(jù)出現(xiàn)階躍，測(cè)點(diǎn)附近區(qū)域由凸變凹，位移迅速變化。如圖7所示。在這些數(shù)據(jù)異常點(diǎn)附近按壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)上下抖動(dòng)明顯，局部形狀在凹凸之間快速變化。主要原因是材料偏軟，抵抗變形的能力較差且發(fā)生階躍的測(cè)點(diǎn)多分布在前機(jī)蓋中心區(qū)域，測(cè)點(diǎn)周圍支撐剛度較小。

4 結(jié)論

本文對(duì)抗凹試驗(yàn)方法進(jìn)行了介紹，通過(guò)試驗(yàn)的實(shí)施與結(jié)果數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）本試驗(yàn)實(shí)施在完整白車身上進(jìn)行，外覆件試驗(yàn)條件與整車更為接近，試驗(yàn)結(jié)果更有指導(dǎo)意義;

（2）傳統(tǒng)試驗(yàn)在拆裝過(guò)程中，安裝位置可能存在一定偏差，在更換試驗(yàn)樣件以后，載荷的作用點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生改變，測(cè)試點(diǎn)結(jié)果一致性容易受到影響，本次試驗(yàn)采用的ABB機(jī)器人重復(fù)定位精度高，可對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量;

（3）與傳統(tǒng)方法相比，機(jī)器人自由度多且靈活，在調(diào)整法向加載過(guò)程中優(yōu)勢(shì)明顯，不同外覆件只需調(diào)整車身位置即可實(shí)現(xiàn)加載，大大縮短了試驗(yàn)周期。

白車身除外覆件外，車身內(nèi)部也有一些關(guān)鍵點(diǎn)的剛度十分重要，如踏板安裝點(diǎn)、安全帶安裝點(diǎn)等，后續(xù)應(yīng)對(duì)車身內(nèi)部剛度試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)白車身內(nèi)外剛度試驗(yàn)全方案的試驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪承璞.汽車鋼板抗凹性試驗(yàn)研究[J]，材料科學(xué)與工藝，2004年12月，第12卷第6期，623-624.

[2]趙立紅.雙曲扁殼類汽車覆蓋件剛度的試驗(yàn)研究[J]，材料科學(xué)與工藝，2015年6月，第23卷第3期，77-78.

[3]王亮.車身覆蓋件抗凹性試驗(yàn)方法及系統(tǒng)[J]，北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014年6月，第40卷第6期，744-745.