一种白车身外覆件抗凹试验方法研究

王勇哲　李旭伟　王恩鹏

摘 要：抗凹性是评价车身外覆件的一项重要指标，是反映车身刚度性能的指标之一。本文利用新型试验设备和数据分析方法，在某车型白车身上进行了车身外覆件抗凹性试验研究，对试验数据进行了统计对比及理论分析，与传统抗凹试验相比，试验条件与实车状况更为接近，试验结果更具指导意义，该试验方法也可为此类刚度试验提供参考。

关键词：抗凹性;车身外覆件;车身刚度

随着汽车消费理念的升级以及石油资源的不断消耗，为降低汽车消费者的经济负担以及满足国家节能降耗的要求，目前各个整车厂都在对车身外覆件进行轻量化处理。另外当前汽车外覆件的另一发展趋势就是大曲面流线型结构设计，即覆盖件外型趋于平坦，这种流线型设计能够有效降低风阻，从而降低油耗。然而钣金材料的厚度和曲率是影响外覆件刚度的两个主要因素，板材的厚度越小，曲率越小，刚度越小。覆盖件的这两种发展趋势使汽车覆盖件的刚度问题越来越突出。

在汽车受到积雪、按压等静态载荷以及飞沙石子冲击等动態载荷时，因外覆件刚度的下降，所以容易在其表面出现凹陷变形甚至永久性的凹坑，这些都会影响汽车的外观品质，降低消费者购买欲望，影响车辆的销量。因此，整车厂在进行车身轻量化及大曲面流线型设计的同时，也将汽车外覆件的抗凹性作为一项重要的考核依据，作为衡量车身刚度性能的重要指标。

1 抗凹性研究发展介绍

车身的抗凹性是指外覆件在承受载荷时，其抵抗变形保持原有形状的能力。目前各整车厂及零部件供应商主要通过数值仿真和试验测试两种方法对车身抗凹性进行研究。研究流程依次为覆盖件材料的选取，覆盖件成型工艺、后处理工艺以及外覆件实际抗凹性。数值仿真方法方便快捷，可同时对不同材料，不同成型工艺、后处理工艺的外覆件进行模拟分析，缩短研发时间。试验测试方法相对繁琐，但能更加真实的反应外覆件的抗凹性能，试验方法按照加载方式还可分为静态试验和动态试验两种。近年来国内对外覆件的试验研究主要集中在板材的选取以及成型工艺上，2004年宝钢的汪成璞对不同材料的板材在不同加工硬化和应变硬化状态下的静态抗凹性进行了研究分析[1]，发现在相同载荷条件下屈服强度高的材料抗凹性能更好。2015年，哈尔滨工程大学的赵丽红、邢忠文等以双曲扁壳作为研究对象，完成了双曲扁壳的成形试验和刚度测试试验[2]，研究了压边力、拉伸深度、约束等对刚度的影响规律。王亮等人开发了一台车身覆盖件自动抗凹性试验系统，能够实现加载压头的自动法向调整[3]。

目前国内外对静态抗凹试验还没有统一的标准，试验方法，压头尺寸，加载速度皆有不同要求。而且常见的抗凹试验一般都采用万能试验机对单一外覆件进行试验研究。由于车身覆盖件本身尺寸较大，以及不同厂家不同的外覆件形状设计，对于车身外覆件抗凹性能方面的试验和检测很受限，难以实现原件的试验，只能进行比例缩小件或简化件的试验，因此试验很难模拟外覆件真实受力状态，结果难具有指导性。

本文通过静态试验方法选取ABB六自由度机器人对国内某整车厂白车身外覆件抗凹性能进行了刚度及残余变形检测。与传统试验相比，本次试验直接在完整白车身上进行，试验效率提高，更为重要的是外覆件的安装条件与实车一致，试验结果更具有参考价值。

2 抗凹性试验介绍

本次试验选用ABB六自由度机器人对完整白车身进行抗凹性测试，机器人设备如图1所示。此设备最大负载150kg，机械臂最大可触及范围2.2m，重复定位精度±0.03mm。配有一套带触摸面板的控制器，同时测试信号监视器可以对载荷和位移数据进行实时监控和采集。抗凹性测试加卸载程序及数据采集程序委托ACTS公司开发。试验中可以选取载荷控制和位移控制两种加载方式，加载速度可根据不同试验标准进行修改。设备加载臂前端配有载荷传感器和位移传感器，数据采集软件在控制器的后台运行，该系统可以在任何时间启动和停止数据采集。所有数据将被储存在一个ASCII文件中，这些数据可以很容易的导入到分析软件中。该设备采用多电机旋转装置，可以针对各类曲面形状上的任一点做三维空间调整，已完成对被测点施加法向载荷，准确测得外覆件的刚度值。

白车身外覆件装配锁扣、密封条，减震块，与实车状态保持一致。本次试验固定方式分为两种：一、在对车门、引擎盖及后备箱进行试验时，用压板压住前后防撞梁，同时在底盘上有一些安装点，利用螺栓和滑块，将车身固定在铁地板上。二、在对车顶进行试验时，由于机器人高度的限制，需将车身翻转90°，在车身底盘后方放置两个长方箱，将车身上的一些安装点通过螺栓与长方箱固定在一起。在底盘位置水平放置激光传感器，监测车身可能出现的水平滑动。

白车身外覆件上的待测点由整车厂客户在三维模型中选取后提供每个测点的参考原点及在参考原点坐标系下待测点的三维坐标。为保证选点的精度，利用Hexgon7轴绝对臂测量机建立相应的局部坐标系后，在白车身上精确选取测试点。本次试验选取一次加载法，采用载荷控制模式缓慢施加130N载荷后卸载，加载卸载时间为30s。试验如图2所示。

ABB六自由度机器人位移坐标系为固定坐标系，坐标原点在机器人底座中心，Z轴竖直向上。载荷坐标系为局部坐标系，坐标原点为压头中心，Z轴为压头轴心方向，传感器采样频率均为100Hz。在试验数据中可以得到加卸载过程中实时采集的三个方向的位移和载荷分量。为消除传感器零飘等影响，在数据处理时首先需对分量数据进行清零处理。其次考察外覆件的抗凹性能需要连续的加卸载曲线，因此需要合成三个方向的分量。在合成前，需对位移数据进行坐标转换，将固定坐标系转换到试验开始前压头中心的局部坐标系。在试验开始的几秒内，压头并没有接触到外覆件，因此分量合成后，需要删除掉无效数据。最后选取加卸载5N之间的数据作为最终的有效数据。在完整的加卸载曲线中，可以得出外覆件测试点的最大变形量以及残余变形。抗凹刚度值以最大载荷除以最大位移的结果表示。

3 数据分析

外覆件在靜态载荷作用下变形会出现三个明显的刚度响应阶段，分别为弹性阶段，塑性阶段以及硬化阶段如图3所示。

通过对试验数据的分析和对比发现三类特殊的变形曲线。（1）残余变形为0。如图4所示。零件实际弧高是一个影响抗凹刚度的决定参数。外覆件受集中载荷发生变形时，由膜应力和弯曲应力承担载荷，弧高的增大，膜应力在总应力中的占比会增大，因此增加了壳体的承载能力，外覆件产生凹痕所需的能量就会变大。因此认为在试验中，白车身的一些测量点在130N的载荷下不足以进入塑性区，仍然处于弹性阶段，卸载后残余变形为零。

为比较不同载荷下，覆盖件的抗凹刚度，增大载荷至400N，可以从图5中明显看出，残余变形增大。一些小载荷下的弹性变形测点进入了塑性区。

（2）覆盖件在发生凹陷变形的阶段，会产生所受载荷不变而位移持续增大的现象。在加载过程中，测点的载荷位移曲线发生了较为明显的油罐效应，如图6所示。

（3）外覆件在加载过程中会突然出现失稳现象，一些数据出现阶跃，测点附近区域由凸变凹，位移迅速变化。如图7所示。在这些数据异常点附近按压时，发现上下抖动明显，局部形状在凹凸之间快速变化。主要原因是材料偏软，抵抗变形的能力较差且发生阶跃的测点多分布在前机盖中心区域，测点周围支撑刚度较小。

4 结论

本文对抗凹试验方法进行了介绍，通过试验的实施与结果数据分析，总结出以下结论：

（1）本试验实施在完整白车身上进行，外覆件试验条件与整车更为接近，试验结果更有指导意义;

（2）传统试验在拆装过程中，安装位置可能存在一定偏差，在更换试验样件以后，载荷的作用点可能会发生改变，测试点结果一致性容易受到影响，本次试验采用的ABB机器人重复定位精度高，可对测点进行多次重复测量;

（3）与传统方法相比，机器人自由度多且灵活，在调整法向加载过程中优势明显，不同外覆件只需调整车身位置即可实现加载，大大缩短了试验周期。

白车身除外覆件外，车身内部也有一些关键点的刚度十分重要，如踏板安装点、安全带安装点等，后续应对车身内部刚度试验的方法进行研究，实现白车身内外刚度试验全方案的试验方法。

参考文献：

[1]汪承璞.汽车钢板抗凹性试验研究[J]，材料科学与工艺，2004年12月，第12卷第6期，623-624.

[2]赵立红.双曲扁壳类汽车覆盖件刚度的试验研究[J]，材料科学与工艺，2015年6月，第23卷第3期，77-78.

[3]王亮.车身覆盖件抗凹性试验方法及系统[J]，北京航空航天大学学报，2014年6月，第40卷第6期，744-745.