2019年第6期
孔新星1周丹2李虎强1
段志纯1
叶进平3
包长君1
（1.中国第一汽车集团有限公司，吉林长春130013;2.长春一汽富维海拉车灯有限公司，吉林，长春130011;
3.浙江嘉利(丽水)工业股份有限公司，浙江丽水323000）
【摘要】不同于传统的车灯本身的应力分析，本文综合考虑了车灯成型生产的残余内应力、安装定位带来的外应力，以
主题词：贯穿式尾灯蠕变试验残余内应力定位安装应力静态寿命
Research on Stress and Life of PMMA Lamp Shade for Through-Running Automobile Taillights
Kong Xinxing 1,Zhou Dan 2,Li Huqiang 1,Duan Zhichun 1,Ye Jinping 3,Bao Changjun 1
（1.China FAW Group Corporation Limited,Changchun,130013;2.Changchun Hella Faway Automotive Lighting Co.,Ltd,
Changchun 130011;3.Zhejiang Jiali （Lishui ）Industry Co.，Ltd ,Lishui,323000）【Abstract 】Different from the traditional stress analysis of the automobile lamp itself,this paper comprehensively considers the residual internal stress of the automobile lamp forming production,the external stress caused by the installation and positioning,and the influence of long-term creep.It provides a set of calculation methods for the service life evaluation of the through-type taillight,and provides a new idea for the selection of the installation and positioning of the taillight.
Key words:Through-type taillight,Creep,Test,Residual internal stress,Stress of positioning
and installation,Static life
【引用】孔新星，周丹，李虎强，等.贯穿式汽车尾灯PMMA 灯罩应力与寿命研究[J].汽车文摘，2019（06）：32-36.
【Citation 】Kong X.,Zhou D.,Li H.,et al.Research on Stress and Life of PMMA Lamp Shade for Through-Running Automobile Tail⁃
lights [J].Automotive Digest(Chinese),2019（06）：32-36.
贯穿式汽车尾灯PMMA 灯罩应力与寿命研究
随着我国汽车工业的高速发展，汽车除了在产品性能上不断提升外，消费者对整车的外观要求也日益提高，产品造型已成为行业核心竞争力之一。车灯作为汽车外饰最活跃的点睛之笔，更是专注于设计感的体现。2012年林肯MKZ 使用贯穿式尾灯打开了尾灯设计的新风尚—贯穿式尾灯。其具有更高的辨识度、更佳的视觉延展效果，广受消费者喜欢。从2014年开始，奥迪A8、保时捷MACAN 、雷克萨斯UX 、红旗E-HS3等配备贯穿式尾灯的车型相继推出。
虽然尾灯在设计时会考虑材料的许用应力。但汽车尾灯
是对于PMMA （有机玻璃）材质在应力较长期作用下蠕变开裂的研究却很少，这也是导致市场上尾灯灯罩开裂投诉多的根本原因
[1-2]
。
本文从灯罩的蠕变角度出发，重点对某车型贯穿式尾灯的灯罩进行相关仿真及实验分析（图1）。本文
研究的尾灯长度接近1.2m ，面罩采用的是日本公司的U400型号PMMA 材料，拉伸强度为70MPa ，压缩强度为108.3MPa 。
图1某车型贯穿式尾灯
1PMMA 材质蠕变性能试验
PMMA 材质的蠕变是指在一定的温度和恒定应
力作用下，材料的应变随时间逐渐增大的现象。图
2
32
汽车文摘
为蠕变曲线示意图，表明有机玻璃的蠕变分为三个阶段：
在第一阶段，应变不断增大，但应变率随时间减小；在第二阶段，应变率恒定，应变以常速率增大；在第三阶段，应变率迅速增加，应变也急剧变大直到材料失效。
蠕变对产品的力学性能有很大的影响，将直接影响使用寿命。
图2蠕变曲线示意图[3]1.1恒载恒温试验
对贯穿式尾灯的性能研究，首先要了解和掌握材
料在特定条件下长期的力学性能。本章通过蠕变试验机参照ISO 4600标准，对灯罩同种材料型号的PM⁃MA 试样进行蠕变试验。
针对汽车的工作使用环境，尾灯不可能出现应力
或温度突变的情况，任何一个较短时期内，都可以视为恒载恒温的蠕变过程。因此选择3种应力水平分别为5MPa 、15MPa 、25MPa （应力水平低、中、高），4种温度为-40℃、20℃、60℃以及85℃(工作环境温度低、中、高以及退火温度），共12个试样进行材料蠕变性能分析。
图3
蠕变试验样件
[4]
材料厂提供了59mm×10mm×4mm 的哑铃型拉伸试样（图3）。使用日本岛津DCS250型号蠕变试验分析仪（图4），进行3h 内的短期蠕变试验，在5000s 内每隔10s 自动记录数据。
图4蠕变试验分析仪
1.2试验结果
图5为试样在环境温度下各应力水平的短期蠕变
试验结果，“↑”表示试样进入应变第三阶段。通过结果可以看出，在低应力水平下（低于25MPa ）蠕变较为缓慢，处于减速蠕变和稳定蠕变阶段，可以较长时间内保持稳定。当应力为25MPa ，温度为60℃时，材料表现为加速蠕变，即应变随时间变化快速增长。
图5环境温度下应变-时间曲线
试样在85℃的退火温度下，应变有较大增加，25MPa 应力下试样发生断裂（图6）。该组蠕变试验结果是退火应力松弛过程的另一种表达形式，对于通过CAE 软件仿真验证有着重要意义。
图6
退火温度下应变-时间曲线
2贯穿式尾灯应力分析
贯穿式尾灯的应力主要由内应力与外应力两部分叠加而成。产品的内应力主要是产品在注塑过程中产生的流动残余应力、热残余应力，焊接过程中的
热应力，以及退火应力松弛后仍残余未释放的应力；而外应力则是受产品制件公差的影响，与车身安装时所产生的装配应力[5]。2.1
成型残余应力分析
蒋兰芳等[6]对灯罩焊接的应力场进行CAE 的仿真，通过仿真手段分析了灯罩退火的应力松弛过程，并且验证了热板焊对除焊接筋外的面罩区域应力影响很小。贯穿式尾灯在面罩上的残余应力，主要受注塑成型过程与退火工艺影响。
借助前处理软件HYPERMESH 对灯罩进行3D 网
格划分，导入注塑仿真软件MOLDFLOW
中计算。在
33
2019年第6期
MOLDFLOW 中可以求得节点坐标、节点位移、节点应力、材料机械性能参数等数据（图7）。
图7
MOLDFLOW 分析灯罩变形云图
图8
MOLDFLOW 分析灯罩膜内残余应力云图
通过残余应力云图（图8）可以看出，灯罩在宽度变化区域以及柱脚位置出现了应力集中。使用宏命令mpi2ans.vbs 将仿真结果导出为ist 文件，供ANSYS 对成型灯罩做进一步的结构分析（各种应力、蠕变过程等）。
在ANSYS 软件中选择隐式蠕变分析方法，其对于温度、时间相关的塑性变形有较准确的仿真结果。将网格设置为SOLID185单元并对材料的蠕变属性进行定义。软件提供有13种蠕变模型，本文第一章已经对材料退火温度（85℃）下的蠕变进行了试验，注塑后残余应力属于中等水平，因此选用第6种Modified Stain Hardening 模型对15MPa_85℃的蠕变曲线进行拟合。εcr =C 1σC 2t C 3e
-C 4/T
()C 3+1C 1>0（1）
式中εcr 为应变、σ为应力、Ｔ为绝对温度、ｔ为每
个子步结束的时间；
C 1、C 2、C 3、C 4都是材料常数（表1）。
表1
拟合结果结合尾灯退火工艺，设置每个子步为15min ，计算总周期为75min 。仿真的结果如图9所示，
灯罩的残余应力在经历了退火应力松弛之后，应力从最大的
15.35MPa 降低至了5.74MPa ，这一结果可以认为是贯穿式尾灯PMMA 灯罩上的残余内应力。
图9
退火后灯罩残余应力云图
2.2装配应力分析
产品的外应力主要是装配应力，其产生的主要原
因一是尾灯与后背门钣金产品都存在制件公差，二者自然状态下并未完全贴合。考虑到车身刚度远大于尾灯，因此在装配锁附螺钉时，会强制尾灯变形以保证与钣金贴合。
贯穿式尾灯与后背门钣金在自然状态下的X 向距离，是装配应力的最大影响因素。图10为产品的几何公差（GD&T ）图，其中A1、A4为销定位，A2、A6、A8、
A9为螺栓定位。
图10后背门钣金及尾灯GD&T 图
随机选择3组未安装的后尾灯与后背门，在保证主定位销A1贴合的情况下测量其它5个定位点X 方向的距离(表2)。
表2
实物测量结果/mm
为了便于与试验进行对比，选择实测2的数据在ANSYS 中约束位移进行仿真。计算结果如图11所示。灯罩A4、A6定位点的中间区域出现了应力集中，最大达到了17.5MPa 。该结果可以认为是贯穿式尾灯PMMA 灯罩上由装配带来的外应力。
参数结果
C 16.2385e -9
C 20.6073
C 3-0.725
C 41.0039
定位点A2A4A6A8A9
X 向理论最大距离1.31.31.31.31.3
实测1
0.330.380.491.1
1.05实测20.290.410.581.281.19
实测30.350.390.391.251.20
判定符合符合符合符合符合
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汽车文摘
图11
装配应力云图
2.3载荷叠加法测量产品应力
刘红等[7]
根据应力线性叠加原理提出了载荷法测
量产品残余应力：在弹性范围内，假设尾灯结构已存在的应力为σa ，其主要由前文分析的残余内应力与装配应力叠加构成。此时人为再施加一个外载荷，产生的应力为σb ，则产品最终的应力状态为：
σc =σa +σb
（2）
σb 可以通过在ANSYS 中模拟该载荷仿真求得，σc 1则可以通过加载试验应变花测量。通过有限元与
试验测量相结合反向求出σa ，并与前文仿真结果进行比对，验证仿真算法的有效性：
σa =σc 1-σb
（3）
（1）根据前文的仿真结果，在灯罩应力显著、便于
应变花测量的平整区域选择测点N139551、加载点N139517并施加40N 的X 方向载荷（图12）。
图12载荷法测点及加载点示意图
软件仿真后提取测点N139551在全局坐标系的应力结果。
σb 仿真q =éëêêù
û
ú
ú-0.5971.4840.00121.484-0.5030.010.00120.010.314（2）根据测点坐标，借助手持三坐标设备在第二组实物灯上到相应点，使用3轴45°应变花桥接法连接应变仪。并施加40N 的X 方向载荷，根据应变花公式算出局部坐标系下平面应力值。
σc 应变花=éëêù
û
ú
-13.5973.4843.484-5.734（3）将应力张量转换为同一坐标系下进行（3）式的线性叠加。节点N139517需要绕Z 轴旋转9°得到坐
标系x ’-y ’-z ；接着绕x ’轴旋转88°得到x ’-y ’’-z ’；最后绕y ’’轴再旋转108°完成转换，坐标变换矩阵为：
T =éëêêùûúúcos 108°0-sin 108°010sin 108°0cos 108°é
ëêêùûúú1000cos 88°sin 88°0-sin 88°cos 88°éëêêùûúú
cos 9°sin 9°0-sin 9°cos 9°00
01应力变换矩阵为：
σi =Tσq T T
（4）
式中σq 为全局坐标系下应力，T T 为坐标变换矩阵的
转置矩阵。对σ仿真q 进行坐标系转化后二维平面应力
近似为：
σb 仿真j =éëêù
û
ú
-1.721-0.0492-0.04920.313将2.1节、2.2节分析的灯罩残余内应力与装配应力进行叠加后进行（4）式坐标系转换，并与载荷法计算出来的应力进行对比。
表3
残余应力分析/MPa
通过仿真结果与载荷法计算的结果相比对，偏差在10%～22%之间（表3），但是应力趋势完全一致，通过仿真方法可以对尾灯应力状态进行有效的评估。
3贯穿式尾灯寿命预测
宋名实[8]提出聚合物材料的破坏时形变性能、分子链应力集中情况和分子链断裂动力学三者的统一作用体现，提出了具有一般形式的蠕变持久强度模型：()-1n +1y n
n ·n !éë
ùû1-()a y n ·ì
íî
ïïü
ýþïï1-n y éë
êêùûúú1-()a y n -11-()a y n =k 0·t f
（5）
K 0-K exp ()-U 0kT ·{
}
1+exp []()
U 0-U ′
0kT （6）
式中K 是材料相关的常数，U 0是流动活化能，
U ′
0是分子链断键活化能，k 是Boltzmann 常数，T 为绝对温度；n 是正整数，t f 是断裂时间。对于变量y 有[8]：
当t =0时，y =a =2β()m 0-m -20()m 2
0+2m 0σT
当t =t f 时，
y f
=2β∑i =1
éëùûv ′i 0()m f -m -2f (
)m 2f +2m f
()
σT
·v ′
if
其中，β为活化体积，σT 为总应力，σf 为断裂时应力，m 0和m f 是初始和断裂时的伸长率，v i 0和v if 以是初始和断裂时的应力集中链数。
式（5）可以用来模拟三种断裂表征方程：准脆性状态粘弹性蠕变断裂方程、受迫高弹状态下蠕变断裂
节点
N139551
应力分量σx σy τxy
σb 仿真j 加载应力-1.7210.313
-0.0492σc 应变花应变片-13.591-5.7343.484
σa 载荷法计算-11.87-6.0473.534
σ仿真仿真计算-13.358-7.3312.942
偏差
12.5%21.2%16.7%
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方程、高弹状态蠕变方程。考虑尾灯断裂一般属于应力中低水平下长期蠕变变形造成，因此选择准脆性状态粘弹性蠕变断裂方程，即（a /y ）<<1和y >>n >1，式（5）可以近似为：
()-1n +1
y n
n ·n !=K 0·t f
（7）
带入K 和y ，则（6）式变换为：
t f =C ·σ-n f exp ()
U ′
0kT （8）
式中，
K ′0=K {
}
1+exp [](U ′0-U 0)/kT ；C =()
-1n +1
y n n ·n !2β∑i =1éë
êùûúv ′i 0()m f -m -2f ()
m 2
f +2m f
v ′if n
·éëêùû
ú1K ′0对式
（8）取对数后得到：
1nt f =1nC -n 1nσf
（9）
对于尾灯产品，在材料、工艺都保持一致性的情
况下，在特定的温度下，C 、n 都为固定的常数。再次进行2.1章节中的材料蠕变试验，选择尾灯最恶劣的工作环境温度60℃，应力分别为40MPa 、45MPa 、50MPa 、55MPa ，记录时间试样断裂时间。对式（8）进行线性拟合，如图13所示。尾灯灯罩在60℃工作环境
下应力-寿命模型为：
1nt f =31.452-5.18911nσf
（10）
图13应力-寿命拟合结果
根据第2章节对贯穿式尾灯产品的仿真分析，产品最大应力为17.89MPa ，代入式（10）计算得出断裂
时间为t f ≈4年，满足尾灯设计寿命要求。
4结论
（1）通过对某贯穿式尾灯灯罩PMMA 材料的进行蠕变试验分析，发现在尾灯工作环境温度下，应力水平是造成尾灯灯罩开裂的关键。
（2）借助软件HYPERMESH 、MOLDFLOW 、ANSYS
的联合使用，可以有效的仿真出贯穿式尾灯的应力水平，与载荷法试验测量结果趋势一致，为工程设计提供了方向和参考。
（3）根据材料试验数据，建立应力—寿命的估算模型，为贯穿式尾灯产品寿命的评估有指导性的作用。
参考
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作者简介：
孔新星：工学硕士学位，主管工程师，现就职于中国一汽集
团公司供应采购部生准组，主要负责为车灯类产品生产准备工作。
：
电话：Tel-1335314268、E-mail ：kongxinxing@faw 联系地址：130011、吉林省长春市东风大街8899
号
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