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長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯（PP-LGF）因在產(chǎn)品中具有較長(zhǎng)的保留長(zhǎng)度，具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗沖擊性強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定和翹曲度低等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件及內(nèi)、外飾裝飾件。

 

但是，由PP-LGF材料制備得到的前端框架在高溫環(huán)境下，由于本身塑料制件的內(nèi)部分子流動(dòng)性增加，導(dǎo)致材料本身在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度的衰減；同時(shí)，前端框架在實(shí)際工況中，當(dāng)受到風(fēng)阻較大時(shí)，汽車引擎蓋會(huì)將前端框架的鎖扣區(qū)域破壞。因此，需要建立一套表征前端框架在高溫環(huán)境下鎖扣區(qū)域強(qiáng)度的合適的方法，找出影響產(chǎn)品剛度可靠性的薄弱點(diǎn)。

 

1. 方案設(shè)計(jì)思路

 

前端框架的力學(xué)試驗(yàn)包括：鎖扣區(qū)域剛度和強(qiáng)度試驗(yàn)（包括高溫、常溫以及低溫），機(jī)蓋鎖扣的保持力試驗(yàn)，冷卻模塊安裝點(diǎn)的剛度試驗(yàn)，保險(xiǎn)杠安裝點(diǎn)剛度試驗(yàn)，緩沖塊區(qū)域剛度試驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)，中冷器安裝點(diǎn)剛度等。

 

需要通過多功能剛度平臺(tái)設(shè)備對(duì)模擬實(shí)車安裝狀態(tài)的前端框架進(jìn)行鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度測(cè)試，確認(rèn)到底是材料的原因，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因。

 

 

圖1（A）多功能剛度平臺(tái)設(shè)備整體外觀圖；

 

（B）多功能剛度平臺(tái)原底座上增加一套固定下端拉伸夾具的底板后的整體外觀圖；

 

（C）上端作動(dòng)缸體連接拉伸試驗(yàn)上夾具，下端底板固定拉伸試驗(yàn)下夾具；

 

（D）多功能剛度平臺(tái)測(cè)試測(cè)試伸樣條示意圖

 

2. 前端框架整體搭建方式的差異性

 

分別進(jìn)行了高溫鎖扣區(qū)域的鎖扣強(qiáng)度測(cè)試，具體的搭建和測(cè)試結(jié)果如下：從圖2（A）和圖2（B）的結(jié)果可以看出，當(dāng)作動(dòng)缸體和安全鎖扣所在的切線方向的夾角為12°時(shí)，其前端框架高溫鎖扣區(qū)域的極限強(qiáng)度為2983 N，相比較當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣的切線方向平行時(shí)的極限強(qiáng)度2800 N要更高一些，這主要的原因是由于當(dāng)存在角度為12°時(shí)，并且假定前端框架高溫鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度為Fmax，則當(dāng)作動(dòng)缸的方向的力值≥Fmax/Cos12°時(shí)，前端框架的安全鎖扣將會(huì)被拔出。

 

 

圖2（A）前端框架固定示意圖，模擬引擎蓋（藍(lán)色工裝）扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用鋼絲繩連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為12°，下方的曲線圖A是按照此種搭建方式測(cè)得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖；

（B）模擬引擎蓋扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用鋼絲繩連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為0°，下方的曲線B是按照此種搭建方式測(cè)得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖

 

而當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣所在的切線方向平行時(shí)，當(dāng)則當(dāng)作動(dòng)缸的方向的力值≥Fmax時(shí)，前端框架的安全鎖扣將會(huì)被拔出。因而采用A種方式得到的前端框架的鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度將會(huì)更大一些。

 

當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣的切線方向平行時(shí)，如圖3（A）所示采用的鋼絲繩連接作動(dòng)缸體和模擬引擎蓋，如圖（B）所示的是環(huán)套環(huán)的連接方式連接的作動(dòng)缸體和模擬引擎蓋。從測(cè)試結(jié)果可以看出，利用鋼絲繩連接的方式其測(cè)試的高溫鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度（2800 N）相比較利用環(huán)套環(huán)的方式測(cè)得的鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度（2682 N）更高，主要的原因是由于鋼絲繩有一定的彈性形變，這將會(huì)在一定程度上消耗部分能量。因而從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，無論采用哪一種檢測(cè)方法，都很難達(dá)到其鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度為3500 N，主要的原因還是在材料本身的高溫環(huán)境下的強(qiáng)度較低，或者說其鎖扣區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合適。為了確保我們的測(cè)試過程的準(zhǔn)確性，我們?cè)谙旅孢M(jìn)行了多功能剛度平臺(tái)的力值傳感器的校準(zhǔn)以及多功能剛度平臺(tái)和電子萬能試驗(yàn)機(jī)的對(duì)標(biāo)工作。

 

 

圖3（A）模擬引擎蓋（藍(lán)色工裝）扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用鋼絲繩連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為0°，下方的曲線圖A是按照此種搭建方式測(cè)得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖；

 

（B）模擬引擎蓋（藍(lán)色工裝）扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用環(huán)套環(huán)連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為0°，下方的曲線圖B是按照此種搭建方式測(cè)得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖

 

3. 力值傳感器對(duì)標(biāo)

 

為了能夠進(jìn)一步確認(rèn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們按照電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)鞓訔l的方法，將多功能剛度平臺(tái)改造成了一種簡(jiǎn)易的拉力計(jì)，選取兩種材料（APO-L40和 GRPP-L30），控制兩者的拉伸速率都為10 mm/min，比較電子萬能試驗(yàn)機(jī)和多功能剛度平臺(tái)測(cè)試這兩種材料的拉伸強(qiáng)度。

 

從下表1以及圖4的拉伸強(qiáng)度的結(jié)果可以看出，多功能剛度平臺(tái)測(cè)試的結(jié)果無論是GFPP-L30還是APO-L40兩種材料的拉伸強(qiáng)度5次測(cè)試的拉伸強(qiáng)度結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差都相比較電子萬能試驗(yàn)機(jī)要低。初步表明剛度平臺(tái)的測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度的結(jié)果穩(wěn)定性相對(duì)更好一些。

 

表1多功能剛度平臺(tái)和電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣條拉伸強(qiáng)度結(jié)果

 

 

 

圖4 多功能剛度平臺(tái)和電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣條拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖

 

 

圖5 多功能剛度平臺(tái)測(cè)試APO-L40和GFPP-L30材料得到的力值隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖

 

4. 動(dòng)態(tài)測(cè)試研究

 

對(duì)于一些高速拉伸領(lǐng)域，基本上不能通過傳統(tǒng)的電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量。然而多功能剛度平臺(tái)設(shè)備的最快速度可以達(dá)到3 m/s，可以實(shí)現(xiàn)包括1BA樣條的高速拉伸試驗(yàn)。另外由于多功能剛度平臺(tái)電動(dòng)缸可以通過軟件的設(shè)置對(duì)位移和速度進(jìn)行精確控制，這樣便可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值增加的力學(xué)控制模式。

 

 

 

圖6（A）常溫環(huán)境下靜態(tài)試驗(yàn)條件下，拉伸樣條受到的力值和位移兩個(gè)參數(shù)隨著時(shí)間的變化關(guān)系曲線；

 

（B）常溫環(huán)境下，對(duì)拉伸樣條施加瞬時(shí)動(dòng)態(tài)拉力3300N后得到的力值和位移兩個(gè)參數(shù)隨著時(shí)間的變化關(guān)系曲線。

 

如上圖6（A）所示，采用PID控制方法，力模式設(shè)置為靜態(tài)，初始拉力設(shè)置為0 N，步進(jìn)增加值為200 N，直至2200 N。這樣的測(cè)試項(xiàng)目，我們可以得到拉伸樣條在受到步進(jìn)增加力值的環(huán)境下，樣條的彈性變形和殘余變形量。

 

圖6（B）同樣是采用PID的控制方法，力模式設(shè)置為動(dòng)態(tài)，給樣條施加一個(gè)瞬間的3300 N的拉力。從圖中我們可以看出，在60 ms的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到3300 N的拉力，并且可以同時(shí)檢測(cè)樣條在受到瞬間的拉力環(huán)境下樣條本身的彈性變形量和剩余變形量。多功能剛度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)電子萬能試驗(yàn)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的測(cè)試項(xiàng)目，在一定程度上拓寬了多功能剛度平臺(tái)的潛在的測(cè)試能力，這將有利于模擬實(shí)際零件，比方說前端框架在受到風(fēng)阻時(shí)，指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的彈性變形量和剩余變形量的變化，以達(dá)到在材料級(jí)別快速篩選的目的；同時(shí)瞬間的動(dòng)態(tài)測(cè)試可以模擬引擎蓋在瞬間開啟或者瞬間扣上時(shí)的瞬間沖擊力，同樣可以達(dá)到在樣條級(jí)別快速篩選的目的。