摘要： 某車型路試階段出現(xiàn)了貫穿尾燈開裂失效，通過(guò)失效部位分析確定是界面疲勞開裂。為解決該問題，通過(guò)查閱文獻(xiàn)將開裂誘因鎖定為異性材料的熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性能的失配。結(jié)合陽(yáng)光暴曬試驗(yàn)，使用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件計(jì)算燈罩的應(yīng)力分布，應(yīng)力集中位置與實(shí)物開裂位置一致。結(jié)合材料應(yīng)力-壽命（S-N）曲線評(píng)估應(yīng)力結(jié)果，合理解釋了開裂的季節(jié)性規(guī)律。利用該方法對(duì)不同材料、顏色、結(jié)構(gòu)的貫穿尾燈進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，使用黑色苯乙烯、丙烯腈和丙烯酸酯類橡膠體共聚合（ASA）和透明色聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的貫穿尾燈開裂風(fēng)險(xiǎn)最大，與售后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

關(guān)鍵詞：貫穿式尾燈 界面應(yīng)力 陽(yáng)光暴曬 疲勞壽命

中圖分類號(hào)：U463" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230371

Study on Interface Fatigue Cracking of A Through-Type Tail Light

Kong Xinxing， Guan Zhongxu， Li Huqiang， Zhao Tong， Luo Linlu， Liu Xiaohang

（China FAW Group Corporation， Changchun 130011）

Abstract： Through-type tail lamp of a vehicle type cracks and fails during road test and it is confirmed by analysis of the cracking position that the failure is a kind of interface fatigue cracking. To address this issue， the paper confirms that mismatch between thermal expansion coefficient of Heterotropic material and mechanical properties is the cause of failure cracking. Stress distribution of lampshade is calculated by CAE software combined with sun exposure test， which shows that the stress distribution location is consistent with physical lampshade cracking. In combination of the evaluation of stress result by means of S-N curve， it rationally explains the seasonal pattern of cracking. This method is used to evaluate through-type tail lamp with different materials， colors and structures， the results shows that the highest risk of cracking appears in through-type tail lamp made from black styrene， ASA and transparent Polymethyl Methacrylate （PMMA）， which is consistent with the law of after-sales statistics data.

Key words： Through-type taillight， Interfacial stress， Sun-exposure， Fatigue life

1 前言

貫穿式汽車尾燈具有更高的辨識(shí)度、更佳的視覺延展效果。2012年，林肯MKZ車型引發(fā)了貫穿式尾燈的審美熱潮，奧迪A8、保時(shí)捷MACAN、雷克薩斯UX、紅旗H9等配備貫穿式尾燈的車型相繼推出，截止到2023年，貫穿式尾燈的市場(chǎng)滲透率已經(jīng)超過(guò)了45%。

貫穿式尾燈的開裂一直是困擾主機(jī)廠及燈具配套廠家的問題，由尾燈開裂帶來(lái)的行業(yè)損失高達(dá)5 500萬(wàn)元/年。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展，貫穿式尾燈常見的磕碰開裂、應(yīng)力（溶劑）開裂問題已有較成熟的解決方案，但目前針對(duì)界面開裂失效研究甚少。

某車型的貫穿尾燈在路試過(guò)程中出現(xiàn)了20起界面疲勞開裂。本文將該產(chǎn)品作為研究對(duì)象，從機(jī)理上解釋界面開裂原因，并給出解決方案。

2 貫穿尾燈界面開裂

本文研究的尾燈如圖1所示，長(zhǎng)度約為1.184 m，燈罩采用雙色注塑，一色為黑色苯乙烯、丙烯腈和丙烯酸酯類橡膠體共聚合（Acrylonitrile Styrene Acrylate，ASA）材料，二色為透明的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）材料。

經(jīng)確認(rèn)，貫穿式尾燈開裂如圖2所示，具有如下規(guī)律：

a.位置固定：20起開裂全部發(fā)生在組合面上尖角的區(qū)域；

b.時(shí)間范圍：開裂全部集中在夏季的高溫期間；

c.失效模式：失效現(xiàn)象全部為燈罩出現(xiàn)雙色分層與剝離。

開裂的尾燈均為經(jīng)過(guò)路試一段時(shí)間后，在燈罩雙材料的邊界出現(xiàn)分層開裂，通過(guò)分析開裂區(qū)域的剖面可知，斷面有明顯的疲勞波紋，可確定該失效屬于界面疲勞開裂，如圖3所示。

3 貫穿尾燈界面開裂分析

3.1 界面開裂理論依據(jù)

由2種不同性質(zhì)的材料沿界面組合成一體的材料稱為“雙材料”。沿界面出現(xiàn)的裂紋為界面裂紋，研究這種裂紋形成和擴(kuò)展的規(guī)律即界面斷裂力學(xué)，如圖4所示。

亢一瀾等[1]利用云紋光柵，證實(shí)了由于材料間的力學(xué)性能失配，異質(zhì)材料產(chǎn)品在溫度變化或外加載荷后會(huì)在界面區(qū)域產(chǎn)生較大的應(yīng)力，該載荷的反復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致沿界面的分層失效。

3.2 貫穿尾燈的應(yīng)力分析

針對(duì)貫穿尾燈的應(yīng)力進(jìn)行分析，燈罩存在注塑殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、車身安裝應(yīng)力，3種應(yīng)力均為靜載產(chǎn)生，一般不高于5 MPa，遠(yuǎn)小于許用范圍；隨機(jī)振動(dòng)雖具備往復(fù)性，但產(chǎn)生的應(yīng)力位置為定位區(qū)域而非界面區(qū)域；只有陽(yáng)光暴曬循環(huán)（日間暴曬升溫，夜間降溫），即熱循環(huán)應(yīng)力具備周期性、反復(fù)作用的情況。因此，本文將研究方向聚焦在陽(yáng)光暴曬產(chǎn)生的熱循環(huán)應(yīng)力及彈性模量失配所帶來(lái)的界面應(yīng)力。

3.3 熱循環(huán)應(yīng)力分析

貫穿式尾燈的熱循環(huán)應(yīng)力來(lái)源于日間暴曬升溫和夜間降溫過(guò)程，過(guò)程中燈罩的體積將周期性膨脹和收縮，如圖5所示，而由于異種材料線性膨脹率的失配，使膨脹或收縮不能自由且平衡地發(fā)生，結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)附加的應(yīng)力，如圖6所示。

根據(jù)熱彈性力學(xué)的基本方程可求解彈性體的溫度應(yīng)力，計(jì)算如下：

[σx=E1-μ2?u?x+μ?v?y-EαT1-μσy=E1-μ2?v?y+μ?u?x-EαT1-μτxy=E2（1+μ）?v?x+?u?y] （1）

式中：[σx]、[σy]、[τxy]分別為主應(yīng)力及剪應(yīng)力，α為彈性體膨脹系數(shù)，T為溫度，E為材料的彈性模量，μ為泊松比，彈性體變形分量為（[?u?x，?v?y，?v?x+?u?y]）。

彈性模量等為材料固有屬性，確認(rèn)產(chǎn)品溫度和尺寸后即可通過(guò)仿真獲得。本文使用能量為1 200 W/m2的模擬太陽(yáng)光譜，照射距離為1.5 m，并測(cè)量貫穿尾燈的燈罩溫度和尺寸，如圖7所示。

經(jīng)測(cè)量，黑色ASA層的溫度達(dá)到了78 ℃，透明PMMA層在覆蓋區(qū)域的溫度為76 ℃，非覆蓋區(qū)域的溫度為55.5 ℃。PMMA層的溫度不均衡以及ASA的熱膨脹被抑制共同在界面產(chǎn)生了應(yīng)力。

將陽(yáng)光暴曬試驗(yàn)的結(jié)果作為邊界條件，在ANSYS中進(jìn)行仿真計(jì)算，應(yīng)力狀態(tài)如下：最大應(yīng)力出現(xiàn)位置與路試開裂的位置吻合，最大應(yīng)力達(dá)到了22.9 MPa，如圖8所示。

3.4 彈性模量失配導(dǎo)致的應(yīng)力集中

PMMA和ASA材料在彈性模量和泊松比上的失配導(dǎo)致界面區(qū)域的應(yīng)變?cè)龃螅绫?所示。

亢一瀾等[2]利用顯微云干涉研究了力矩作用的異質(zhì)材料塊體結(jié)構(gòu)在界面區(qū)域的應(yīng)變分布和應(yīng)力，結(jié)果表明，距離界面0.4 mm處開始出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，可使用一個(gè)表示應(yīng)力強(qiáng)度的因子K和應(yīng)力奇異性階數(shù)λ描述界面端部的應(yīng)力分布性質(zhì)，[（γ，θ）]為極坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，界面端部應(yīng)力場(chǎng)的主項(xiàng)[σijγ，θ]可表示為：

[σijγ，θ=Kγ-λfijθ] （2）

式中：[fijθ]為與角度有關(guān)的函數(shù)。

將式（2）兩側(cè)取對(duì)數(shù)，可得：

[logσijγ，θ=H+-λlogγ] （3）

式中：[H=logK+logfij（θ）]。

在一條指定[θ]角的射線上，在端部區(qū)域的一定范圍內(nèi)，[H]為常數(shù)，[logσij]與[logγ]為線性關(guān)系，直線的斜率即奇異性階數(shù)[λ]。在極坐標(biāo)下的應(yīng)力結(jié)果[σij]和到角點(diǎn)距離[γ]取對(duì)數(shù)后存在線性關(guān)系，其直線斜率[λshi]為0.42，應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算如下：

[K=σγ（γ）γ-λf-1γ（θ）] （4）

可得[Kshi=σγshiγγ0.42]，通過(guò)試驗(yàn)法測(cè)得其數(shù)值為3.2 MPa·mm。

由于車身和產(chǎn)品的尺寸公差，在裝配過(guò)程中尾燈會(huì)受到矯形影響并產(chǎn)生應(yīng)力，在界面區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中。云紋光柵法并不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的貫穿尾燈[3]，本文先使用仿真軟件計(jì)算燈罩扭曲下的應(yīng)力，將距離界面2 mm處的應(yīng)力放大8倍，等效為界面位置的應(yīng)力，如圖9、圖10所示。

4 貫穿式尾燈開裂壽命評(píng)估

ASA+PMMA材料組合式貫穿尾燈燈罩從2021年開始工業(yè)應(yīng)用，雙材料的疲勞壽命曲線對(duì)于貫穿尾燈界面開裂的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要，因此，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣片的疲勞壽命測(cè)試，試樣如圖11所示[4]。試樣采用光滑平板，名義厚度為3 mm，按照HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》進(jìn)行，分別在-40 ℃、-25 ℃、18 ℃、60 ℃、90 ℃的溫度條件下，采用成組法試驗(yàn)獲得指定壽命N為[1×104] 次的疲勞曲線，如圖12所示。

試驗(yàn)表明，材料的疲勞性能隨溫度的升高而大幅降低。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)溫度由-40 ℃升高至90 ℃時(shí)，疲勞強(qiáng)度由69.8 MPa下降至27.1 MPa，這與貫穿尾燈界面開裂高發(fā)期在夏季的規(guī)律相吻合。

根據(jù)前文計(jì)算，尖角區(qū)域的疊加應(yīng)力高達(dá)33.8 MPa，陽(yáng)光暴曬下表面溫度高達(dá)78 ℃，由應(yīng)力-壽命（S-N）曲線可知，循環(huán)壽命在[0.2×104] 次內(nèi)，與路試階段出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象吻合。

5 貫穿尾燈不同方案的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

考慮到貫穿尾燈燈罩在材料、結(jié)構(gòu)、顏色上存在多種不同的組合方案，為評(píng)估每種組合方式的開裂風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)每種組合進(jìn)行應(yīng)力仿真[5]，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由仿真結(jié)果可知：雙材料燈罩由于熱膨脹系數(shù)和彈性模量的失配，導(dǎo)致界面區(qū)域的應(yīng)力集中[6]；由于透明色燈罩帶來(lái)溫差，界面區(qū)域的應(yīng)力情況更加嚴(yán)重。使用透明PMMA+黑色ASA組合的貫穿尾燈更易出現(xiàn)界面開裂，與售后故障情況相吻合，而包裹式端面結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉糠譄崤蛎洉r(shí)產(chǎn)生的剪切力轉(zhuǎn)換為軸向力，從而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)[7-10]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該評(píng)估方法，本文選擇表2中的量產(chǎn)尾燈進(jìn)行陽(yáng)光老化測(cè)試。試驗(yàn)工況如圖13所示：環(huán)境溫度為42 ℃，使用能量密度為1 200 W/m2的模擬太陽(yáng)光譜，照射距離為1.5 m，照射時(shí)間為8 h，期間使用濃度為60%的酒精溶劑噴灑產(chǎn)品進(jìn)行降溫（由于開裂過(guò)程緩慢，使用酒精溶劑進(jìn)行應(yīng)力催化）；隨后在溫度為10 ℃的環(huán)境中放置3 h。累計(jì)30個(gè)循環(huán)，觀察試驗(yàn)過(guò)程中界面是否出現(xiàn)分層開裂。

陽(yáng)光老化試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，仿真分析手段獲取的應(yīng)力結(jié)果與陽(yáng)光老化測(cè)試結(jié)果和售后表現(xiàn)相吻合，如表3所示。

針對(duì)路試出現(xiàn)開裂的尾燈，由于材質(zhì)、造型定義的約束，最終選擇更改端面結(jié)構(gòu)，即選擇用二色PMMA完全在剪切方向包裹住一色的ASA層，如圖14所示。更改后的產(chǎn)品在臺(tái)架上進(jìn)行陽(yáng)光老化測(cè)試和整車路試，未出現(xiàn)界面分層的開裂失效。

6 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)某貫穿式尾燈路試階段出現(xiàn)開裂的問題進(jìn)行分析，鎖定該開裂是由于3種材料力學(xué)、熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的界面開裂。

b.本文通過(guò)對(duì)尾燈應(yīng)力來(lái)源分析，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)光暴曬產(chǎn)生的熱應(yīng)力和彈性模量失配是尾燈燈罩界面開裂的關(guān)鍵應(yīng)力，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)物的規(guī)律吻合。

c.使用仿真手段可在設(shè)計(jì)階段有效評(píng)估開裂風(fēng)險(xiǎn)，陽(yáng)光老化試驗(yàn)也能在項(xiàng)目階段有效評(píng)估，結(jié)果均與售后統(tǒng)計(jì)規(guī)律吻合。

d.通過(guò)對(duì)不同材料、顏色、結(jié)構(gòu)的貫穿尾燈進(jìn)行分析，結(jié)合材料的S-N曲線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷。結(jié)果表明，采用黑色ASA+透明PMMA、端面覆蓋式的尾燈開裂風(fēng)險(xiǎn)最高。

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