基于應力測試對某車型耐久后鈑金開裂問題的分析與研究

劉小銳，謝卓維，譚江明，陳周明

（廣汽本田汽車有限公司 技術部 產品技術科，廣東 廣州 510700）

1 引言

隨著汽車自媒體的興起以及短視頻平臺的急速普及，汽車質量問題信息日益透明化，消費者對產品的安全性、可靠性、耐久性的要求越來越高。整車廠與其花費更多的人力物力在售后領域，進行公關對應這些質量問題，倒不如在車型投產前期，就把車輛可靠性、耐久性能提升到足夠高的水平。因此，整車耐久性能已經成為各大主機廠必須重視的問題之一。然而車型上市前期開展的耐久試驗，普遍對零件素性要求很高（恒久模具、恒久生產設備、零“手修”），加上耐久試驗耗時很長（3～4月），假若出現耐久不良，留給解析對策的時間已所剩無幾，一旦對策失敗，很有可能導致車型量產推遲。因此，整車、單品耐久不良對策成功率普遍要求為100%。針對車身領域鈑金等零件，通常采取的辦法是CAE分析結合整車應力測試，通過仿真模擬分析及疲勞耐久試驗，預測對策后是否存在疲勞破壞的風險，從而得知對策有效性。

本文以某車型耐久跑行后鈑金開裂不良為例，基于對應力測試的研究，對耐久后鈑金開裂問題進行解析及對策驗證，從而確保耐久鈑金開裂不良對策成功率100%。

2 應力測試的基本概述

首先對本文涉及的部分應力及疲勞相關概念進行簡單說明。

應力，施加外力的影響下物體內部產生的力。

如圖1所示，在物體表面施加外力P，物體為保持原形在內部產生抵抗變形的力——內力。內力被物體的截面積所除后得到的值即應力[1]。因為：內力=外力，所以應力σ=P/A，應力的單位為Pa，N/mm2或kgf/mm2。

圖1

應變 ε：

物體的伸長率，無單位。軸向應變 ε：

與外力同方向的伸長（或壓縮）方向上的應變稱為軸向應變。

橫向應變 εd：

與外力成直角方向上的應變稱為橫向應變。

如圖2所示，圓棒受外力作用長度伸長⊿L，直徑變化-⊿d。則軸向應變ε=⊿L/L，橫向應變εd=-⊿d/d0。

通過測量應變，以計算由于外力作用而在物體內部產生的應力，這種方法稱為應力測試[2]。物體材料的彈性系數已知的情況下，根據應變可以計算出應力。應力測試的目的是測出構件受載后表面的或內部各點的真實應力狀態，從而對構件的疲勞壽命進行預測，適用于車身零部件或焊接部位、底盤零部件、玻璃應力狀態的測試。

圖2 應變圖

如圖3所示，超過彈性區域后，應力不上升，只有應變變化。這表示材料開始出現塑性變形。這個出現變化的點稱為屈服點，特別把彈性區域的最大應力點稱為上屈服點，經過上屈服點，應力稍微下降后，保持不變，但應變變化的這部分的平均應力稱為下屈服點。這是軟鋼才有的特性。由于下屈服點的數值較為穩定，因此通常以它作為材料抗力指標，稱為屈服點或者屈服強度。應力應變圖中的最大應力稱為這種材料的抗拉強度[1]。

圖3 應力與應變關系

最大應力 σmax：

如圖4，發生應力的最大值。

最小應力 σmin：

如圖4，發生應力的最小值。

應力幅 σα：

最大應力和最小應力在平均應力上下變化的幅度稱為應力幅：

圖4 應力幅

S-N曲線：

為了評價和估算疲勞壽命或疲勞強度，需要建立外載荷與壽命之間的關系。反應外力S和疲勞壽命N之間的關系的曲線叫做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，是用來表示材料或物體的疲勞壽命。

Dm≥1即發生疲勞破壞

N：材料特性數據，從材料的S-N曲線可以獲知；n：試驗數據處理所得。

舉個例子，如從S-N曲線獲悉不同應力S對應的壽命N值，以及應力測試獲得的總數據中，各應力值分別發生的頻次n如下表1所示：

表1 應力測試數據

此時Dm小于1，即不存在疲勞破壞的風險。

疲勞限度σ-1：

大多數的鋼鐵材料，在受到106～107次重復次數的荷重后，即使次數更多也不會導致破壞，存在下限的應力振幅值，這稱為疲勞限度。

基準：實際應力測試中，測定的應力幅σα小于該測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險。否則，需要繼續計算Dm疲勞破壞值，Dm≥1即發生疲勞破壞。

3 應力測試實操簡述

測量應變的方法有很多種，大致分為機械、光學、電子測定法。本次僅舉例說明電測法，使用單軸應變片。

3.1 應變片的構造

應變片有很多種類。一般的應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造。

3.2 應變片的原理

將應變片粘在被測定物上，使其隨著被測定物的應變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短。很多金屬在機械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。應變片就是應用這個原理，通過測量電阻的變化而對應變進行測定。但是由于應變相當微小，所產生的電阻變化也相當微小，一般電阻計根本無法測量，因此，為了對這種微小電阻變化進行測量，我們使用帶有韋斯通電橋回路的專用應變測量儀，測出電橋的輸出電壓就可以計算出應變的大小[2]。此處就不再對其原理展開說明。

3.3 應變片的選擇

根據使用場景及測量物體材料的不同，應變片及其粘合劑的選擇也會有相應區別。目前應變片使用較為廣泛的品牌為共和以及歐美大地，具體應變片選擇可參考下圖6，摘錄自共和官網。

圖6 應變片選擇

3.4 應力測試設備及工具

如下圖7所示為本人團隊常用應力測試設備及相關耗材，供參考。

圖7 應力測試工具

3.5 應變片與橋盒的連接方法

下圖8左側圖形是普通應變片的連接方法（2根線），右側圖形中是帶溫度補償導線的應變片連接方法，具體連接方式需要根據橋盒的結構而定。

圖8 應變片連接原理

3.6 應變片貼伏位置

3.6.1 鈑金開裂下應變片貼付方式

應變片測量區域應覆蓋零件受力最大區域，如測量開裂的焊點的受力，則建議垂直焊點裂紋進行貼伏，見下圖9。

圖9 應變片貼付圖

此處特別說明，由于應變片貼伏位置的準確性決定了測量結果的準確性，因此針對上述這種明確疲勞開裂點，對對標車輛開展應力測試，貼伏應變片時必須確保應變片貼伏位置與事項車開裂點一致。為了確保貼伏位置的準確性，本人測試團隊總結實操經驗，制定出“等比臨摹法”，從而提高測量準確性。

等比臨摹法：先對開裂事項車的開裂區域進行三坐標掃描，通過處理后生成開裂區域等比例2D圖，然后把該2D圖等比例打印出來，結合三坐標掃描時的定位孔把打印出來的圖紙固定在對標車輛上，把即可把裂紋“臨摹”在對標車輛上，此時進行應變片貼伏位置的劃線定位，能確保貼伏位置盡可能與開裂點一致。該方法能確保應變片貼伏位置的準確性，減少測量誤差，以及減少因貼伏位置偏差而導致的重復試驗工時。

3.6.2 其他情況，應變片貼伏建議參考如下幾點

（1）選擇遠離鈑金邊緣的一側粘貼應變片；

（2）如鈑金形狀不規則，則沿著鈑金邊緣方向多粘貼幾個應變片；

（3）對于二氧化碳焊，應變片應緊貼二氧化碳焊根部粘貼；

（4）對于測量圓棒的扭轉力矩時，粘貼位置參見圖10：

圖10 應變片粘貼

（5）對于測量圓棒的拉伸壓縮力時，粘貼位置參見圖11：

圖11 應變片粘貼

3.7 應變片貼伏方式

3.7.1 應變片粘貼位置的前處理

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

3.7.2 應變片粘貼位置的清潔、處理

用工業用的紙巾（或者不會掉毛的布）醮上清洗劑（或丙酮等溶劑）對應變片粘貼位置進行脫脂、洗凈。然后在應變片粘貼位置劃線定位。

3.7.3 粘合劑的涂布

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

整體都沾有粘合劑后，迅速把應變片對齊粘貼位置放下。

3.7.4 應變片的粘貼及加壓

把應變片放在應變片粘貼位置后，立即蓋上聚乙烯膜。用拇指指腹對應變片BASE持續加壓約1～2分鐘。為防止應變片收拉扯導致斷線，先把線放松一點后，再用膠帶固定。

3.8 應力測試工況

本人測試團隊應力測試在某惡路耐久試驗的測試跑道進行，由沙石路與卵石路組成，考慮到左右輪路面存在差異，測量時順時針及逆時針各需跑行最少3圈進行數據采集。在進入測試路段前，確保車輛處于滿載及標準胎壓下后，在平地靜止狀態下對采集器進行置零，待數據穩定在±1MPa范圍內后，進入測試路段開始采集應力數據，并且記錄不同路況分別對應哪一段測量數據，以便后續確認最大拉、壓應力發生在哪個路段。如下圖所示為某車型鈑金焊點位置所受應力，可讀取其中最大、最小應力值，從而計算出應力幅，與測量點材料疲勞限度值進行對比，得出初步判斷。如下圖13為壞路測量所得應力曲線。

圖13 各工況下應力

3.9 判斷基準

從數采中導出測量數據，分析測試數據中的最大應力σmax及最小應力σmin，從而計算出應力幅σa，與測量點零件材料的疲勞限度σ-1對比[3]。

σα＜σ-1，判斷OK，不存在疲勞破壞風險；

σa ≥ σ-1，存在耐久后疲勞破壞風險，需要進行Dm計算。（具體計算公式詳見上文，實際操作中需要使用到Ncode公司旗下的FE-safe等軟件進行數據分析，本文不展開說明）；

當 Dm≥1，則判斷NG，存在疲勞破壞的問題，否則判斷OK，不存在疲勞破壞問題。

4 基于應力測試對耐久后鈑金開裂問題的解析及對策驗證案例

為了方便讀者理解本文所述應力測試分析方法，筆者以某車輛惡路跑行耐久后，出現焊點開裂問題的案例展開說明，通過應力測試進行疲勞分析并開展對策驗證。

4.1 不良說明

某車型進行疲勞耐久跑行后，發現后地板區域，后排座椅靠背安裝孔的加強件周邊焊點開裂，裂紋從焊點下端根部開始往外延伸，總長約45mm，如下圖14所示：

圖14 鈑金開裂圖示

4.2 開裂位置應力測試

應變片貼伏：

對相同狀態未進行耐久跑行的完成車開展應力測試，采用單軸應變片，適用于一般車身鈑金零件，采用本人測試團隊常用的“等比臨摹法”明確應變片貼伏位置（焊點下邊緣裂紋起始點），盡可能找到鈑金開裂事項車裂紋位置，減少測量誤差，避免因測量誤差導致的多次重復測試。如圖15所示，應變片測量有效區域需要覆蓋焊點外圈邊緣。

圖15 改善后應力貼付圖

惡路跑行及數據采集：

使車輛處于標準胎壓及滿載的工況下，在某惡路跑道順時針、逆時針各跑行3圈，采集應力數據，通過數據處理可得：最大應力為181MPa，最小應力為-120MPa，應力幅為150.5，測量點適用板材為JSC270C t 0.8mm，抗拉強度≥270MPa，其疲勞限度約為137MPa，則應力幅大于疲勞限度，存在耐久后焊點開裂的隱患，需要進行Dm計算。且通過計算，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題。

4.3 不良解析確認

通過分析，逐一確認影響因素，從而明確出導致該項不良發生的末端要因：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，從而加大了焊點位置所受應力，產生疲勞開裂的風險。通過CAE模擬能再現這種情況，如下圖17所示，靠背安裝支架偏差0.1mm，當座椅靠背受力時，焊點位置產生應力集中，大幅降低焊點的疲勞壽命。但由于0.1mm偏差便會導致焊點應力集中，這對制造精度要求太高，單靠制造精度保證不合理，需要從設計上增加車身強度，才能恒久解決該問題。

圖16 分析圖示

圖17 CAE分析圖

4.4 對策說明及驗證

4.4.1 恒久對策說明

后排座椅靠背安裝孔的加強件結構變更，焊點追加，如圖18所示：

圖18 結構變更

4.4.2 對策后CAE分析及應力測試結果

如下圖19所示，對策后加強件周邊焊點疲勞強度能提升約23.3倍，滿足耐久要求。

圖19 分析結果

此外，對策后狀態按相同工況進行應力測試，采集數據（節選）如下圖20所示，最大應力44MPa，最小應力-65MPa，應力幅54.5MPa，小于材料疲勞限無須無需進行Dm計算。

因此，判斷對策后，焊點無疲勞開裂風險，預測對策效果OK。

圖20 應力測試

4.4.3 對策后實車耐久試驗結果

由于涉及題涉及到座椅等重要安全零件，團隊還使用對策后車身進行了耐久試驗，確認耐久后焊點及周邊鈑金無開裂，如下圖21：

圖21 耐久試驗后圖示

綜上，得出結論：對策效果良好，對策后不存在疲勞破壞風險。

4.4.4 案例說明總結

（1）通過應力測試及疲勞計算結合CAE分析，能預測對策后疲勞耐久水平，從而預判對策效果，大大提高耐久后鈑金開裂不良對策成功率；

（2）通過“等比臨摹法”等手段能確保應變片貼伏位置的準確性，減少測量誤差，以及減少因貼伏位置偏差而導致的重復試驗工時；

（3）涉及重要安全零件或者其他存在隱患的零件（如座椅、安全帶及底盤件等），則不能單純通過CAE分析及應力測試結果判定對策效果，還需實車重新進行耐久試驗驗證。

5 結論

應力測試是分析汽車車身零件疲勞耐久的常用手段，當整車耐久試驗后發現鈑金疲勞開裂問題時，對未進行耐久跑行地對標車輛相同位置開展應力數據測量以及疲勞耐久分析，通過“等比臨摹法”等手段明確應變片貼伏位置，減少測量誤差，盡可能真實地把握到事項車開裂區域所受應力情況。結合應力測試數據及CAE仿真結構，能找出有效對策，并預判對策后零件疲勞耐久水平，為對策實車耐久驗證提供足夠的信心。