那景新，劉浩壘，王文輝，秦國(guó)鋒，慕文龍，馮 原

車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力的免卸載測(cè)量法

那景新，劉浩壘，王文輝，秦國(guó)鋒，慕文龍，馮 原

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

為簡(jiǎn)化車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)量過(guò)程，并能測(cè)得車輛自重導(dǎo)致的應(yīng)力，基于線性系統(tǒng)和小變形假定，提出了一種結(jié)構(gòu)應(yīng)力的免卸載測(cè)量方法。該方法在無(wú)需卸去被測(cè)車輛自身零部件和其他負(fù)載的情況下，讓被測(cè)車輛分別向左、右傾斜相同的角度，利用車輛傾斜引起結(jié)構(gòu)應(yīng)變的改變，間接地計(jì)算出測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。基于該方法，進(jìn)行了一鋼架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，對(duì)比了免卸載測(cè)量法與傳統(tǒng)卸載再加載的方法所測(cè)得結(jié)構(gòu)應(yīng)變值，平均誤差為3.46%；又進(jìn)一步進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，對(duì)比了實(shí)車試驗(yàn)的應(yīng)力值與有限元分析所得應(yīng)力值，平均誤差為6.78%。兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果都證明了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

車身；自重載荷；免卸載測(cè)量；應(yīng)變；應(yīng)力；傾角

前言

在車輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，車身零部件的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)是車輛設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容[1]，而車身零部件的應(yīng)力水平則是其靜強(qiáng)度評(píng)價(jià)的主要依據(jù)[2-3]。CAE技術(shù)對(duì)現(xiàn)代車身產(chǎn)品的研發(fā)起到了越來(lái)越關(guān)鍵的作用，利用CAE技術(shù)可對(duì)包括車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在內(nèi)的多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，盡管如此，對(duì)于車身零部件來(lái)說(shuō)，最終判斷其強(qiáng)度是否滿足要求，仍然要以實(shí)車試驗(yàn)為準(zhǔn)[4-6]。

電阻應(yīng)變片測(cè)量法是目前測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變最常用的方法[7]，該方法具有技術(shù)成熟、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。但這種方法需要在開(kāi)始測(cè)量前先卸去待測(cè)結(jié)構(gòu)的載荷，并粘貼應(yīng)變片，再將應(yīng)變儀調(diào)平衡后才能進(jìn)行加載測(cè)量[8]，在整個(gè)過(guò)程中，必須要經(jīng)過(guò)一次載荷的卸去與施加過(guò)程。這樣一來(lái)，若直接將電阻應(yīng)變片測(cè)量法應(yīng)用于測(cè)量車身結(jié)構(gòu)由車輛自重引起的應(yīng)力測(cè)量，由于很多車身結(jié)構(gòu)都具有較大的工作載荷，即使此類載荷可以卸載，卸載和加載的整個(gè)過(guò)程也會(huì)十分繁瑣，所需時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，還易由于測(cè)量?jī)x器的零漂而導(dǎo)致誤差[9]。實(shí)際上，車身結(jié)構(gòu)的某些載荷理論上可以卸載，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)的拆裝過(guò)程卻非常復(fù)雜，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等零部件自重引起的車身結(jié)構(gòu)的載荷。此外，由于車身結(jié)構(gòu)本身就具有較大的質(zhì)量，此時(shí)由車身結(jié)構(gòu)件自重引起的應(yīng)力在測(cè)量時(shí)就不能忽略，然而由于車身結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量無(wú)法卸載，因此，由車身結(jié)構(gòu)自重引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也就無(wú)法測(cè)出。

針對(duì)上述現(xiàn)有應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量法所存在的不足之處，本文中提出了一種考慮了車輛結(jié)構(gòu)自重的車身應(yīng)力免卸載測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理

1.1 基本原理

首先在車身結(jié)構(gòu)件上選好測(cè)點(diǎn)，并在其上粘貼應(yīng)變片，在車輛水平放置時(shí)，調(diào)零測(cè)試系統(tǒng)；然后將被測(cè)量車輛向左傾斜一定角度α，此時(shí)作用在車身承載結(jié)構(gòu)上的載荷方向發(fā)生變化而引起各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變的改變，可測(cè)得各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變改變量；之后將車輛重新水平放置，并調(diào)零測(cè)試系統(tǒng)；再將車輛向右傾斜同樣的角度-α，測(cè)得各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變改變量。將每個(gè)測(cè)點(diǎn)處兩次的測(cè)量結(jié)果歸為一組，根據(jù)線性系統(tǒng)中同一載荷引起的應(yīng)變與載荷成比例，以及在小變形條件下，多個(gè)載荷引起的應(yīng)變服從疊加原理的基本假定，可推出各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變，再根據(jù)胡克定律，求出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。

1.2 理論公式推導(dǎo)

車輛水平放置時(shí)的受力狀態(tài)如圖1所示，圖中G表示車輛自重載荷，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別表示支撐面對(duì)左右側(cè)車輪的支持力。

分別用列向量ε和εL來(lái)表示車輛水平放置和向左傾斜時(shí)所有測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變，用列向量ΔεL表示車輛向左傾斜后引起車身結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變改變量，則有

車輛向左側(cè)傾斜α角后的受力狀態(tài)如圖2所示，圖3為此時(shí)車輛的等效受力狀態(tài)。

圖1 車輛水平時(shí)的受力圖

圖2 車輛左側(cè)傾斜時(shí)的受力圖

圖3 車輛左傾斜時(shí)的等效受力圖

圖中：F′1，F(xiàn)′2分別為車輛傾斜后支撐面對(duì)左右側(cè)車輪的支持力；f1，f2分別為支撐面對(duì)左右側(cè)車輪的摩擦力；α為支撐面與水平面的夾角，在數(shù)值上也等于車輛向左傾斜的角度。可將車輛自重載荷G分解為與車身地板平行的分量和與車身地板垂直的分量，如圖3所示。測(cè)點(diǎn)在方向上對(duì)應(yīng)的應(yīng)變用列向量表示。

由以上受力分析可得

由上兩式可得

將車輛重新水平放置，并調(diào)零測(cè)試系統(tǒng)。

將車輛向右傾斜同樣的角度，測(cè)得各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變改變量為ΔεR，則有

由于測(cè)試車輛向兩邊傾斜的角度相同，根據(jù)線性系統(tǒng)的假定，可知之間存在以下關(guān)系：

綜上，可把 ΔεL，ΔεR表示為

將上兩式相加并代入式(11)和式(12)后，可得

由車輛自重引起的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)變?chǔ)艦?/p>

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 鋼架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

為驗(yàn)證本文中所提出測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和有效性，并考慮到實(shí)車試驗(yàn)較為復(fù)雜且成本較高的問(wèn)題，首先專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行試驗(yàn)，將利用免卸載測(cè)量法與傳統(tǒng)先卸載再加載的測(cè)量法得到的結(jié)果作對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證所提出測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。

本試驗(yàn)用簡(jiǎn)化焊接鋼架(如圖4所示)來(lái)模擬車身結(jié)構(gòu)，通過(guò)懸掛標(biāo)準(zhǔn)砝碼塊來(lái)模擬車輛上的載荷，利用懸掛砝碼的橫梁來(lái)模擬車身承載結(jié)構(gòu)，具體加載方式見(jiàn)圖5。在其上選取測(cè)點(diǎn)粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼位置如圖6所示。為達(dá)到較好的試驗(yàn)效果，選擇使各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力值均處于150～250MPa之間。為此，首先建立有限元模型進(jìn)行了工況模擬，如圖7所示。通過(guò)有限元模擬，最終確定鋼架結(jié)構(gòu)尺寸為1100mm×300mm×150mm。

圖4 簡(jiǎn)單試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

圖5 加載圖

圖6 應(yīng)變片粘貼位置

圖7 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊M計(jì)算圖

在免卸載測(cè)量法中，車輛傾斜角的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度、試驗(yàn)的安全性均有較大的影響。要保證有足夠高的測(cè)量精度，車輛的傾斜角度不能太??；但在傾斜角過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致測(cè)試車輛發(fā)生側(cè)翻[10]，且在車輛安全規(guī)范中對(duì)每種車輛都有規(guī)定的安全側(cè)傾角[11]。綜合以上兩方面的因素，確定鋼架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的傾斜角度為25°，如圖5所示。

2.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

最終分別利用免卸載測(cè)量法與傳統(tǒng)先卸載再加載的測(cè)量法測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)及兩者的誤差百分比，如表1所示。

表1 采用兩種方法得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)

由表1可見(jiàn)，傳統(tǒng)測(cè)量法與免卸載測(cè)量法所得試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差百分比僅為3.46%，最大也僅為4.68%，具有較好的一致性，證明了免卸載測(cè)量法的準(zhǔn)確性。

2.2 實(shí)車試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文中所提出測(cè)量方法的可行性，基于國(guó)內(nèi)某客車企業(yè)一12m級(jí)別客車進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)(如圖8所示)。由于實(shí)際車輛在空載狀態(tài)下的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力值通過(guò)其他試驗(yàn)方法很難測(cè)得，建立了試驗(yàn)車輛的有限元模型進(jìn)行仿真分析[12-13]，將所述免卸載測(cè)量法得出的結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文中所述方法的可行性。

圖8 免卸載測(cè)量法應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)時(shí)分別在車身前后懸架處的地板平面上各布置一個(gè)傾角測(cè)量?jī)x，然后緩慢將車輛傾斜，并保持兩個(gè)傾角測(cè)量?jī)x的讀數(shù)一致，直接根據(jù)傾角測(cè)量?jī)x示數(shù)確定車輛的傾斜角度，從而消除懸架變形對(duì)車身傾角的影響。

考慮到測(cè)量精度和試驗(yàn)安全的要求，這里選取車輛的側(cè)傾角為18°。在車身結(jié)構(gòu)上選取30個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，為降低測(cè)量誤差的影響，從中選取應(yīng)力水平較高的10個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)與有限元模型中相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)車有限元模型如圖9所示。測(cè)試所得應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元模型中相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

圖9 實(shí)車有限元模擬計(jì)算圖

表2 實(shí)車試驗(yàn)所得應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算所得數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

由表2可知，采用傾角測(cè)量法所測(cè)得的應(yīng)力值與有限元計(jì)算所得的應(yīng)力值平均誤差為6.78%，最大誤差也僅有11.76%，說(shuō)明在實(shí)車試驗(yàn)中，利用傾角測(cè)量法測(cè)得的應(yīng)力值與有限元模型的計(jì)算值仍有較好的一致性，進(jìn)一步證明了本文中提出的免卸載測(cè)量法的可行性。

3 結(jié)論

本文中基于傾角原理提出了一種無(wú)需卸除車輛載荷測(cè)量車輛承載結(jié)構(gòu)應(yīng)變和應(yīng)力的方法，并分別通過(guò)鋼架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了本文中所提出的方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。本文的方法同樣可應(yīng)用于其他不方便卸除載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，不僅能簡(jiǎn)化各種機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試的過(guò)程，而且能大大縮短測(cè)試周期。

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A Stress Measurement Method for Vehicle Body Structure Without Unloading

Na Jingxin， Liu Haolei， Wang Wenhui， Qin Guofeng， Mu Wenlong ＆ Feng Yuan

Jilin University， State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Changchun 130022

To simplify the stress measurement process of vehicle body structure，and enable the measurement of stress caused by the dead weight of vehicle，a structure stress measurement method without dismantling and unloading is proposed based on the assumption of linear system and small deformation.With the method，under the conditions of without dismantling the components of vehicle and removing other loads，the vehicle to be measured is tilted to the left and right successively by the same angle， leading to the change of structure strain， by which the stress at measured point is indirectly calculated.Based on the method a test on a steel-frame structure is conducted to compare the structure strain obtained by the methods of with and without dismantling and unloading，resulting in an average error of 3.46%.Then a real vehicle test is further performed to compare the stress obtained by test and finite element analysis，getting a result with an average error of 6.78%.The results of two tests all verify the correctness and feasibility of the method proposed.

vehicle body； dead-weight load； measurement without unloading； strain； stress； tilting angle

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.11.011

?國(guó)家自然科學(xué)基金(51375203)資助。

原稿收到日期為2016年11月10日，修改稿收到日期為2017年2月15日。

馮原，副教授，E-mail：fengyuan＠ jlu.edu.cn。