CN102809660A - 汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法及装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法及装置，其特征是检测方法是首先采用有限元模拟法识别桥壳易出现损伤的危险区域，然后对桥壳危险区域进行检测，再采用磁粉法进一步确定桥壳的损伤程度，最后测量桥壳整体变形量确定桥壳是否可以再制造。本发明利用金属磁记忆无损检测方法快速评价各种类型的汽车桥壳损伤情况，通过对危险区的重点检测，有效提高了检测效率；结合磁粉检测和变形量测量，快速判定桥壳的可再制造性能。

Description

汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法及装备

技术领域

本发明涉及一种疲劳损伤检测方法与装备，特别是一种面向汽车车桥桥壳再制造的疲劳损伤磁记忆检测方法与装备。

背景技术

全球汽车行业急速发展，产销量的增长导致了全球汽车保有量的不断扩大。目前市场上冲压焊接式桥壳因其制造工艺简单、材料利用率高、废品率低及制造成本低等优点而得到广泛应用，报废量也与日俱增。作为汽车稳定基础件，汽车车桥桥壳一次退役后还具有很大的利用价值，因此其再制造引起了人们的极大关注。再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能实现跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造件（毛坯）经历过一次或多次的服役周期后，其结构中会出现一定的损伤或缺陷，这是影响其使用寿命的关键要素。因此对桥壳的应力状态、损伤程度进行评估，是其再制造加工前要解决的关键问题。

如何通过一定的检测手段与方法来判断结构是否存在损伤并对损伤进行评估一直是工程界十分关心的问题。目前的再制造检测主要依靠肉眼判断，结合一些常用的无损检测手段，通过判断表面失效程度来决定零件是否能够再制造。常用的无损检测方法包括：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等，这些常规检测方法作为成熟技术在工业中已经得到了广泛的应用，且各有优势。如超声检测对象广泛，可对金属、非金属及复合材料进行检测；射线检测对夹杂、气孔、未焊透等体积型缺陷非常敏感；磁粉检测可对机械结构的表面及近表面裂纹进行检测，能直观显示缺陷的形状、位置、大小及严重程度；涡流检测适用于对零部件表面损伤与缺陷的检测。然而上述检测手段也都存在不足，如超声检测需要耦合剂，同时对桥壳等构件的损伤很难定量判定；射线检测不适用于面积型缺陷检测，且射线检测需要放射源，对人体有害，检测成本大，不适用于桥壳检测的大规模应用；磁粉检测对工件表面清洁程度要求高，检测效率低，经济成本高；涡流检测对检测件的尺寸与形状有一定要求，同时存在提离效应。

车桥桥壳是汽车稳定基础件之一，在一次服役期桥壳承受各种冲击载荷、交变载荷，易形成应力集中、裂纹等损伤。当前的检测流程通常是：人工初步筛选-清洗-常规无损检测，但人工筛选过程存在大量漏检现象，对漏检构件先清洗后检测的流程非常耗费人力物力；同时常用的无损检测方法，如涡流、磁粉等，仅局限于对裂纹等宏观缺陷的检测，无法对应力集中区及早期损伤同时进行检测。金属磁记忆检测方法作为一种新的无损检测方法，对铁磁性金属构件的缺陷与微裂纹有良好的检测能力，非常适合作为桥壳损伤与缺陷的检测手段。磁记忆检测技术是20世纪90年代以杜波夫教授为代表的俄罗斯学者率先提出的一种新型铁磁性金属损伤的快速无损诊断技术。它以应力和变形集中区为检测区域，利用处于地球磁场中的铁磁性金属磁性能在应力和变形集中区内产生不可逆转的变化，在金属与空气边界出现磁导率跃变，其表面产生漏磁场，通过采集该漏磁场信号，从而快速、准确、无损地确定铁磁性构件上的应力集中区及缺陷。金属磁记忆检测便捷、灵敏、无污染、成本低的优点促使其在工程实践中具有广阔的应用前景，特别在工程制造业、石油化工和航空设备上已有实际应用，并取得了巨大的经济效益。但是，关于磁记忆检测在汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测中的应用尚未见到相关的公开报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法与装备，基于磁记忆无损检测方法快速评价汽车桥壳的疲劳损伤情况，结合磁粉检测、变形量测量，确定桥壳的可再制造性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法，其特点是按如下步骤进行：

第一步：采用有限元模拟法识别桥壳易出现损伤的危险区域：

采用有限元法建立汽车各种型号桥壳的三维模型，针对三维模型进行应力分析，对所得到的应力分析结果进行疲劳分析，得到桥壳的整体寿命分布云图及危险区域分布，确定桥壳易出现损伤的危险区域；

第二步：对桥壳危险区域进行检测：

利用金属磁记忆方法对桥壳危险区域进行检测，记录磁记忆检测信号，提取磁记忆检测信号的法向分量H_p(y)及其梯度K值，对所述梯度K值的计算是采用微分法的数据处理方式，K＝︱dH_p(y)/dL︱，其中dH_p(y)是相邻两采样点之间磁记忆信号法向分量的差值，dL是相邻两采样点之间的距离；

当梯度K值的最大值K_max<1A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)不存在过零点：H_p(y)≠0时，判定桥壳危险区不存在损伤，为无损伤桥壳，所述无损伤桥壳直接进入再制造清洗及性能测试环节；

当梯度K值的最大值不小于10A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)存在过零点：H_p(y)=0时，判定桥壳危险区出现严重损伤，所述损伤桥壳直接进入报废程序；

当梯度K值的最大值K_max为：1A/m·mm≤K_max≤10A/m·mm时，判定桥壳有损伤，所述有损伤桥壳进入磁粉法复查环节；

第三步：采用磁粉法进一步确定桥壳的损伤程度：

外加激励磁场对桥壳危险区域进行磁化，使在桥壳表面均匀喷洒的荧光微颗粒磁粉在微裂纹、夹杂、未焊透气孔的各种缺陷处积聚，根据桥壳表面磁痕积聚的形状及分布读取裂纹长度及深度，定量判定桥壳的损伤程度，经磁粉检测后的有宏观裂纹的桥壳直接判定为不能进入再制造环节，无宏观裂纹的桥壳继续进行变形量检测；

第四步：测量桥壳整体变形量确定桥壳是否可以再制造：

采用高度游标卡尺测量桥壳加强环盖中心点与半轴套管轴线的偏差，在桥壳两端半轴套管配合面用V形块支撑，沿半轴套管轴线旋转桥壳至其加强环盖与水平面垂直，定量测量桥壳加强环盖中心点偏离半轴套管轴线的变形量σ₀，由桥壳台架试验方法建立桥壳不同寿命周期N与变形量σ的图谱关系，根据变形量σ₀对照图谱分选出不同损伤等级的桥壳，变形量符合要求等级的桥壳进入再制造修复环节。

本发明汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特点是：桥壳通过“V”型夹紧装置和支架固定安装在平台上，以所述“V”型夹紧装置对桥壳进行装夹；步进电机安装在桥壳6的一端；用于安装探头的自适应探头夹紧装置的悬臂由三维丝杠驱动。

本发明汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特点也在于：

所述“V”型夹紧装置是以托盘体为支撑，在所述托盘体上通过螺栓支撑体相对设置一对V形块，一个双旋向的螺栓与螺栓支撑体螺纹配合。

所述自适应探头夹紧装置的结构形式是：设置一带有轴肩状凸起的套筒，以轴肩状凸起构成弹簧座，弹簧座内设置有弹簧，所述弹簧座是由锁紧螺母锁紧，所述自适应探头夹紧装置与悬臂相连。

所述支架在平台上的位置不完全固定，可以在轨道上相对或相向移动，以保证可以放置不同长度的桥壳。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过桥壳的疲劳损伤自适应检测装备，利用金属磁记忆无损检测方法快速评价各种类型的汽车桥壳损伤情况，通过对危险区的重点检测，有效提高了检测效率；结合磁粉检测和变形量测量，快速判定桥壳的可再制造性能。

2、本发明改变了既有的桥壳再制造检测流程，缩短了检测时间，避免了人工检测易漏检的缺点，检测的准确性和可靠性较高，检测结果清晰直观，具有较高的检测效率，可广泛应用于汽车桥壳的再制造检测。

附图说明

图1为本发明的检测方法流程图；

图2为本发明的有限元分析流程图；

图3为本发明的装置的三维立体示意图；

图4为本发明的“V”型夹紧装置的示意图；

图5为本发明的自适应探头夹紧装置的示意图；

图中标号：1显示器；2步进电机；3为V型夹紧装置；4探头；5手臂；6桥壳6；7丝杠电机；8支架；9平台；10自适应探头夹紧装置；12支撑体；13为V形块；14托盘体；15螺栓；21套筒；22弹簧；23锁紧螺母。

具体实施方式

参见图1、图2，本实施例中汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法是：首先采用有限元模拟法识别桥壳易出现损伤的危险区域；然后针对桥壳危险区域，利用金属磁记忆方法进行检测，在检测装备上由机械手臂带动磁记忆检测自适应探头运动，记录磁记忆检测信号，提取检测信号的法向分量H_p(y)以及其梯度K值，K＝︱dH_p(y)/dL︱，来初步判定桥壳损伤情况，无损伤桥壳直接进入再制造清洗及性能测试环节，对有损伤桥壳则进行磁粉法复查以确定能否再制造；桥壳磁粉法检测时若危险区域存在宏观裂纹，则桥壳不能用于再制造；若桥壳无裂纹，则对桥壳进行变形量测量；根据再制造桥壳变形量与桥壳台架试验的寿命周期之间的关系，评判桥壳的可再制造性能。

具体按如下步骤进行：

第一步：采用有限元法通过PROE软件建立汽车各种型号桥壳的三维模型，导入有限元分析软件ABAQUS，在循环加载下对三维模型的应力和应变进行弹塑性有限元分析；通过划分网格、赋予截面材料、施加静载荷和边界条件、执行分析作业等，在后处理模块中可以观察到桥壳线弹性变形的应力云图；同时添加桥壳材料（如常用材料510L钢的弹塑性行为，准确模拟在加载变形过程中模型截面面积的改变和受力状态；对所得到的应力分析结果导入FE-SAFE疲劳寿命软件，加上载荷谱后对试件进行疲劳分析并计算疲劳寿命，得到桥壳的整体寿命分布云图及危险区域分布，从而确定桥壳易出现损伤的危险区域；

第二步：利用金属磁记忆方法对桥壳易出现损伤的危险区域进行检测，磁记忆信号法向分量梯度K值是法向分量H_p(y)微分后的量值，K＝︱dH_p(y)/dL︱，其中dH_p(y)是相邻两采样点之间磁记忆信号法向分量的差值，dL是相邻两采样点之间的距离，K反应出每个检测点的磁记忆信号变化，当磁记忆法向分量H_p(y)变化平缓，梯度K值小范围内跳动时，判定桥壳无损伤；当H_p(y)出现明显的波峰波谷，K发生剧烈跳动时，判定桥壳出现损伤；根据检测到的金属磁记忆信号法向分量H_p(y)及其梯度K值的最大值K_max作如下判断：

当梯度K值的最大值K_max<1A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)不存在过零点（H_p(y)≠0时，判定桥壳危险区不存在损伤，为无损伤桥壳，无损伤桥壳直接进入再制造清洗及性能测试环节；

当梯度K值的最大值不小于10A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)存在过零点（H_p(y)=0时，判定桥壳危险区出现严重损伤，损伤桥壳直接进入报废程序；

当梯度K值的最大值K_max：1A/m·mm≤K_max≤10A/m·mm时，判定桥壳有损伤，桥壳进入磁粉法复查环节；

第三步：当1A/m·mm≤K_max≤10A/m·mm时，用磁粉法进一步确定损伤桥壳是否可以再制造；磁粉法是外加激励磁场对桥壳危险区域进行磁化，使在桥壳表面均匀喷洒的荧光微颗粒磁粉在微裂纹、夹杂、未焊透气孔等各种缺陷处积聚，根据桥壳表面磁痕积聚的形状及分布读取裂纹长度及深度，定量判定桥壳的损伤程度，经磁粉检测后的有宏观裂纹的桥壳直接判定为不能进入再制造环节，无宏观裂纹的桥壳继续进行变形量检测；

第四步：对桥壳整体变形量测量确定桥壳的变形损伤情况，采用高度游标卡尺测量桥壳加强环盖中心点与半轴套管轴线的偏差，在桥壳两端半轴套管配合面用V形块支撑，沿半轴套管轴线旋转桥壳至其加强环盖与水平面垂直，定量测量桥壳加强环盖中心点偏离半轴套管轴线的变形量σ₀，由桥壳台架试验方法建立桥壳不同寿命周期N与变形量σ的图谱关系，根据变形量σ₀对照图谱分选出不同损伤等级的桥壳，变形量符合要求等级的桥壳进入再制造修复环节。

参见图3，本实施例中汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备的结构形式是：

桥壳6通过“V”型夹紧装置3和支架8固定安装在平台9上，以“V”型夹紧装置3完成对桥壳6的装夹；步进电机2安装在桥壳6的一端；用于安装探头4、自适应探头夹紧装置10的悬臂5由三维丝杠驱动，图中所示的丝杠电机7用于驱动悬臂5在沿着桥壳6的长度方向上的移动。支架8在平台上的位置不完全固定，可以在轨道上相对或相向移动，以保证可以放置不同长度的桥壳。

参见图4，本实施例中“V”型夹紧装置3是以托盘体14为支撑，在托盘体14上通过螺栓支撑体12相对设置一对V形块13，一个双旋向的螺栓15与螺栓支撑体12螺纹配合。

参见图5，本实施例中探头4由自适应探头夹紧装置10夹持，自适应探头夹紧装置10的结构形式是：设置一带有轴肩状凸起的套筒21，以轴肩状凸起构成弹簧座，弹簧座内设置有弹簧22，弹簧座是由锁紧螺母23锁紧，自适应探头夹紧装置10与悬臂5相连，探头4的形状根据所测桥壳上磁记忆信号位置的不同而更换。

在具体操作时，显示器1用导线与探头4相连，将桥壳6放在“V”型夹紧装置3上，探头在三维丝杠的驱动下在X、Y、Z三个方向上运动从而可以测得桥壳6上任意处的磁记忆信号，每当步进电机2转过一定的角度后停止，然后由探头4来测量此处的磁记忆信号。

对某车桥公司的汽车驱动桥桥壳，有限元模拟结果显示，半轴套管与桥壳本体焊缝处、弹簧座与壳体圆弧过渡处是桥壳易出现损伤的危险区，因此此型桥壳一共有四个重点检测区。磁记忆检测时，通过调整支架8在平台9上的位置，将车桥安装在检测平台上，以“V”型夹紧装置3完成对桥壳的装夹；通过控制步进电机2转过的角度，由探头4完成对四个区域的磁记忆检测；通过分析磁记忆检测信号，某桥壳在半轴套管与桥壳本体焊缝边缘出现突变梯度K_max(10.50A/m·mm)，且K_max附近法向分量H_p(y)存在过零点（H_p(y)=0，表明该桥壳焊缝处最先出现了应力集中，该桥壳危险区出现了严重损伤，需要直接进入报废程序。

Claims (5)

1.一种汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测方法，其特征是按如下步骤进行：

第一步：采用有限元模拟法识别桥壳易出现损伤的危险区域：

采用有限元法建立汽车各种型号桥壳的三维模型，针对三维模型进行应力分析，对所得到的应力分析结果进行疲劳分析，得到桥壳的整体寿命分布云图及危险区域分布，确定桥壳易出现损伤的危险区域；

第二步：对桥壳危险区域进行检测：

利用金属磁记忆方法对桥壳危险区域进行检测，记录磁记忆检测信号，提取磁记忆检测信号的法向分量H_p(y)及其梯度K值，对所述梯度K值的计算是采用微分法的数据处理方式，K＝︱dH_p(y)/dL︱，其中dH_p(y)是相邻两采样点之间磁记忆信号法向分量的差值，dL是相邻两采样点之间的距离；

当梯度K值的最大值K_max<1A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)不存在过零点：H_p(y)≠0时，判定桥壳危险区不存在损伤，为无损伤桥壳，所述无损伤桥壳直接进入再制造清洗及性能测试环节；

当梯度K值的最大值不小于10A/m·mm，且K_max附近法向分量H_p(y)存在过零点：H_p(y)=0时，判定桥壳危险区出现严重损伤，所述损伤桥壳直接进入报废程序；

当梯度K值的最大值K_max为：1A/m·mm≤K_max≤10A/m·mm时，判定桥壳有损伤，所述有损伤桥壳进入磁粉法复查环节；

第三步：采用磁粉法进一步确定桥壳的损伤程度：

外加激励磁场对桥壳危险区域进行磁化，使在桥壳表面均匀喷洒的荧光微颗粒磁粉在微裂纹、夹杂、未焊透气孔的各种缺陷处积聚，根据桥壳表面磁痕积聚的形状及分布读取裂纹长度及深度，定量判定桥壳的损伤程度，经磁粉检测后的有宏观裂纹的桥壳直接判定为不能进入再制造环节，无宏观裂纹的桥壳继续进行变形量检测；

第四步：测量桥壳整体变形量确定桥壳是否可以再制造：

采用高度游标卡尺测量桥壳加强环盖中心点与半轴套管轴线的偏差，在桥壳两端半轴套管配合面用V形块支撑，沿半轴套管轴线旋转桥壳至其加强环盖与水平面垂直，定量测量桥壳加强环盖中心点偏离半轴套管轴线的变形量σ₀，由桥壳台架试验方法建立桥壳不同寿命周期N与变形量σ的图谱关系，根据变形量σ₀对照图谱分选出不同损伤等级的桥壳，变形量符合要求等级的桥壳进入再制造修复环节。

2.一种汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特征在于：桥壳（6）通过“V”型夹紧装置（3）和支架（8）固定安装在平台（9）上，以所述“V”型夹紧装置（3）对桥壳（6）进行装夹；步进电机（2）安装在桥壳（6）的一端；用于安装探头（4）的自适应探头夹紧装置（10）的悬臂（5）由三维丝杠驱动。

3.根据权利要求2所述的汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特征在于：所述“V”型夹紧装置（3）是以托盘体（14）为支撑，在所述托盘体（14）上通过螺栓支撑体（12）相对设置一对V形块（13），一个双旋向的螺栓（15）与螺栓支撑体（12）螺纹配合。

4.根据权利要求2所述的汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特征在于：所述自适应探头夹紧装置（10）的结构形式是：设置一带有轴肩状凸起的套筒（21），以轴肩状凸起构成弹簧座，弹簧座内设置有弹簧（22），所述弹簧座是由锁紧螺母（23）锁紧，所述自适应探头夹紧装置（10）与悬臂（5）相连。

5.根据权利要求2所述的汽车桥壳再制造的疲劳损伤检测装备，其特征在于：所述支架（8）在平台上的位置不完全固定，可以在轨道上相对或相向移动，以保证可以放置不同长度的桥壳。

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