面向总成的低温冲击试验研究

何洋，许玉曼，夏添，杨雨圣，卢朋朋

（1. 东风汽车公司技术中心，武汉 430058 2. 襄阳达安汽车检测中心，襄阳 441004）

面向总成的低温冲击试验研究

何洋1，许玉曼1，夏添2，杨雨圣1，卢朋朋1

（1. 东风汽车公司技术中心，武汉 430058 2. 襄阳达安汽车检测中心，襄阳 441004）

低温冲击是检验总成低温脆性的有效手段之一，而现有针对总成的试验方法和设备的研究较为缺乏。结合实际工程需求，提出了一种面向大型总成的低温冲击试验方法；基于有限元法（FEM），设计了一套大冲击功低温试验设备；最后通过某型后桥总成的低温冲击试验，证明了所述试验方法和试验设备设计的正确性。

零部件总成；低温冲击；试验方法；试验设备；低温脆性

何 洋

毕业于山东大学机械工程学院，硕士研究生，现任东风技术中心工程师，研究方向为整车及零部件可靠耐久性试验。

材料在低温条件下的韧脆转换，导致零件在低应力水平下也会发生脆性断裂[1]。低温脆断较其他失效形式更加难以预防，造成的危害往往十分巨大。当前，零部件总成大多基于材料的低温数据进行相关计算校核，由于零件设计、加工等因素影响[2]，致使采用该方法推导而得的结果不如基于总成的低温冲击结果直接、准确，加之大型总成对试验设备、试验方法的要求与其他类型样件存在差异，导致可供参考的试验方法及设备较少，相应的研究亦较为缺乏。针对以上问题，结合工程实际需求，提出了一种面向大型总成的低温冲击试验方法；基于FEM，设计了一套大冲击功低温试验设备；最后利用上述试验设备和方法，复现了某型后桥的失效过程并测得了冲击功，证明了所述试验方法以及试验设备的正确性。

1 试验设备设计

大型总成对冲击功要求较高，导致所需冲击试验机形体偏大，为节约成本，环境箱不覆盖冲击试验机，设计的试验系统如图1所示。系统可分为两部分：1、低温环境箱，2、摆锤冲击试验机。环境箱在试验开始时覆盖在试件上方，冷浸预处理完成后从试件上方吊离。

1.1 低温环境箱设计

当前低温冲击常用冷源及特性如表1所示[3]，通常自然环境不会低于-90 ℃，对于一般总成试验而言，液氮即可较好的满足使用需求。

表1 常用冷源特性

液态氮气温度极低，若直接接触试件，极易造成试件表层温度分布骤变，从而形成裂纹破坏试件，因此液氮在进入环境箱时，需在低温箱中提前与高压室温气体混合，再通过箱体内部的蜂窝孔均匀喷撒在试件上。利用低温气体下沉、高温气体上浮原理，将液氮入口布置在高压室温气体上方，有利于两种不同温度气体的充分混合，同时高压气体的高流速有利于混合好的气体在低温箱中进行扩散，环境箱整体结构如图2所示。该形式的环境箱整体结构刚度好，质量轻，便于吊装，且制造成本低廉，经过试验证明，其同时具备较好的保温隔热效果。

1.2 摆锤冲击试验机结构设计

大型总成除冲击功要求外，通常对碰撞方向控制要求也较高。为满足以上需求，采用四根摆臂下挂箱体式冲击锤的摆锤设计方案。箱体为后续增加配重提供了空间，两组平行四边形机构可在保证强度、刚度要求的同时，确保在任意位置撞击试件时锤头始终保持水平，使撞击方向更易控制，整体结构如图3所示。当摆锤撞击试件反弹后，锁止杆升起并将摆锤锁止，以防止摆锤对试件造成二次冲击伤害。

1.3 基于FEM的设计验证

由于冲击试验机具备中间对称结构，因此取其一半进行建模并划分网格。为满足碰撞分析网格划分要求，对三角形单元比例以及单元长宽比等参数进行了控制[4]，所得有限元模型如图4所示。采用刚度沙漏控制法，控制系数设定为0.06[5]，避免了沙漏现象的出现。以设计工况的1.5倍为边界条件，得出冲击试验机最大冯·米塞斯应力为285.1 MPa如图5所示，低于330 MPa的屈服极限,当前的设计满足了现有试验要求。

2 试验方法设计

2.1 样件预制

当前低温冲击试验冷浸一般采用恒温冷冻，冷浸时间通常为5～15分钟[6,7]。近期研究表明，冷却速率、冷冻温度以及冷冻时间均会对零部件总成的低温特性造成较大影响[8]，因此，如图6所示将冷浸过程设计为如下三个阶段：

初期阶段：为了模拟自然环境下的低温工况，在冷却初期温度下降速率设计偏缓，以避免零部件总成过脆或出现冻裂，从而影响试验准确性；

中期阶段：根据传热学理论，短时间内零部件总成温度一般要高于冷媒温度[9]，因此当环境箱温度达到试验温度时，还应继续将温度调低5%～10%左右并保持一段时间，以达到迅速冷却零部件总成温度的目的。

末期阶段：冷冻末期，应将温度缓慢回调到试验温度并保持较长时间，以便于零部件总成材料性能充分完成转变。

2.2 冲击功的测量计算

当前计算冲击功的方法主要有两种：1、GB/T229-1994中以计算摆锤势能变化求解冲击功，2、通过测量冲击力和位移来计算冲击功[10]。摆锤冲击试验下落过程中，轴承摩擦等不可控因素会吸收部分势能，加之位移及力信号时间历程测量难度及费用较高，导致两种方法应用过程中均存在一定的局限。结合冲击试验特点，提出以测量摆锤碰撞前后的速度来求解冲击功，所需设备仅为一个速度传感器，计算公式如式1所示。式中，J 为冲击功，m 为冲击锤碰撞位置的当量质量，vt为撞击后的冲击锤速度，v0为撞击前冲击锤速度。

3 后桥零部件总成低温冲击试验

某型车在进行寒区试验时，后桥某处出现了低温脆断现象。为验证后桥低温脆性是否满足使用需求，需进行低温冲击试验。将车桥在环境箱中冷冻，温度控制曲线如图6所示，之后将冲击锤举升到设定高度并让其自由落下撞击车桥，车桥在与寒区试验时相同位置发生了脆性断裂，如图7所示。测量撞击前后冲击锤速度，根据式1计算出冲击功为1620J，证明了后桥在纵臂部位抗低温脆断性能存在不足，为后续改善提供了依据。

4 总结

（1） 结合实际工程需求，针对大型总成特点，设计了摆锤冲击试验机和低温环境箱，并基于FEM验证了设计的合理性。所述环境箱及冲击试验机经过使用实践，证明其结构合理、工作性能良好；阐述的基于CAE验证分析方法,可为其他冲击、碰撞类试验的开发提供参考。

（2） 针对现有低温冲击试验研究的不足，提出了一套面向大型总成的低温冲击试验方法，并对试验温度控制、冲击功的计算等方法进行了论述，所述内容对现有冲击试验方法进行了有效补充。

[1] 孙增林. 关于低温低应力脆断问题[J].机械工程材料. 1983, 4: 7-10.

[2] 唐振廷, 陈一龙. 冲击试验的现状与发展[J]. 汽车工艺与材料. 2004(10): 1-5.

[3]郭怀东,李东林,黄仁太.GB150标准低温冲击试验温度规定修改意见[J].压力容器.2012

[4] 牛正风. 货车驾驶室摆锤碰撞安全性研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.

[5] 王暄, 陈弘, 董丽莉, e t a l. CATARC汽车模拟碰撞试验系统的研究[J].汽车技术. 1996(4): 7-10.

[6] 林晓新. 运用常温冲击试验机进行低温冲击的试验方法[J]. 嘉应大学学报. 1998(3): 92.

[7] 孔永华, 飞王, 李东方, et al. GH4169合金的低温冲击试验[J]. 低温工程. 2011(182): 11-15.

[8] 周欣萍. 温度和载荷速率影响结构钢脆性的本质探讨及脆断控制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2005.

[9] 郭怀东, 李东林, 黄仁太. GB150标准低温冲击试验温度规定修改意见[J].压力容器. 2002, 19(12): 4-5.

[10] 李运升, 王耀邦. 冲击器回转试验台冲击功的计算机测量方法_李运升[J]. 中国水运. 2007, 07(11): 72-73.

专家推荐

李鸿飞：

低温冲击性能是结构件非常重要的指标。由于相关设备昂贵等条件限制。大部分大尺寸的零部件的低温冲击性能只能在实际应用中得到检验。本文介绍了一种低成本的试验方案。并实际应用验证可行，有推广应用的价值。

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