那景新，劉浩壘，王文輝，秦國鋒，慕文龍，馮 原

車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力的免卸載測量法

那景新，劉浩壘，王文輝，秦國鋒，慕文龍，馮 原

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

為簡化車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測量過程，并能測得車輛自重導(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)力的免卸載測量方法。該方法在無需卸去被測車輛自身零部件和其他負(fù)載的情況下，讓被測車輛分別向左、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，間接地計算出測點應(yīng)力?；谠摲椒?，進行了一鋼架結(jié)構(gòu)試驗，對比了免卸載測量法與傳統(tǒng)卸載再加載的方法所測得結(jié)構(gòu)應(yīng)變值，平均誤差為3.46%；又進一步進行了實車試驗，對比了實車試驗的應(yīng)力值與有限元分析所得應(yīng)力值，平均誤差為6.78%。兩個試驗結(jié)果都證明了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

車身；自重載荷；免卸載測量；應(yīng)變；應(yīng)力；傾角

前言

在車輛設(shè)計開發(fā)過程中，車身零部件的靜強度設(shè)計是車輛設(shè)計的一個重要內(nèi)容[1]，而車身零部件的應(yīng)力水平則是其靜強度評價的主要依據(jù)[2-3]。CAE技術(shù)對現(xiàn)代車身產(chǎn)品的研發(fā)起到了越來越關(guān)鍵的作用，利用CAE技術(shù)可對包括車身結(jié)構(gòu)強度在內(nèi)的多項性能指標(biāo)進行較為準(zhǔn)確的評價，盡管如此，對于車身零部件來說，最終判斷其強度是否滿足要求，仍然要以實車試驗為準(zhǔn)[4-6]。

電阻應(yīng)變片測量法是目前測量結(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，因此應(yīng)用較為廣泛。但這種方法需要在開始測量前先卸去待測結(jié)構(gòu)的載荷，并粘貼應(yīng)變片，再將應(yīng)變儀調(diào)平衡后才能進行加載測量[8]，在整個過程中，必須要經(jīng)過一次載荷的卸去與施加過程。這樣一來，若直接將電阻應(yīng)變片測量法應(yīng)用于測量車身結(jié)構(gòu)由車輛自重引起的應(yīng)力測量，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，卸載和加載的整個過程也會十分繁瑣，所需時間會很長，還易由于測量儀器的零漂而導(dǎo)致誤差[9]。實際上，車身結(jié)構(gòu)的某些載荷理論上可以卸載，但是實際結(jié)構(gòu)的拆裝過程卻非常復(fù)雜，例如發(fā)動機、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，此時由車身結(jié)構(gòu)件自重引起的應(yīng)力在測量時就不能忽略，然而由于車身結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量無法卸載，因此，由車身結(jié)構(gòu)自重引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也就無法測出。

針對上述現(xiàn)有應(yīng)力應(yīng)變測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)力免卸載測量方法。

1 測量原理

1.1 基本原理

首先在車身結(jié)構(gòu)件上選好測點，并在其上粘貼應(yīng)變片，在車輛水平放置時，調(diào)零測試系統(tǒng)；然后將被測量車輛向左傾斜一定角度α，此時作用在車身承載結(jié)構(gòu)上的載荷方向發(fā)生變化而引起各測點處應(yīng)變的改變，可測得各測點處的應(yīng)變改變量；之后將車輛重新水平放置，并調(diào)零測試系統(tǒng)；再將車輛向右傾斜同樣的角度-α，測得各測點處的應(yīng)變改變量。將每個測點處兩次的測量結(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，多個載荷引起的應(yīng)變服從疊加原理的基本假定，可推出各測點的實際應(yīng)變，再根據(jù)胡克定律，求出各測點的應(yīng)力值。

1.2 理論公式推導(dǎo)

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

分別用列向量ε和εL來表示車輛水平放置和向左傾斜時所有測點處的應(yīng)變，用列向量ΔεL表示車輛向左傾斜后引起車身結(jié)構(gòu)各測點處的應(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為此時車輛的等效受力狀態(tài)。

圖1 車輛水平時的受力圖

圖2 車輛左側(cè)傾斜時的受力圖

圖3 車輛左傾斜時的等效受力圖

圖中：F′1，F(xiàn)′2分別為車輛傾斜后支撐面對左右側(cè)車輪的支持力；f1，f2分別為支撐面對左右側(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。測點在方向上對應(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)零測試系統(tǒng)。

將車輛向右傾斜同樣的角度，測得各測點處的應(yīng)變改變量為ΔεR，則有

由于測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ε為

2 試驗驗證

2.1 鋼架結(jié)構(gòu)試驗

2.1.1 試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

為驗證本文中所提出測量方法的準(zhǔn)確性和有效性，并考慮到實車試驗較為復(fù)雜且成本較高的問題，首先專門設(shè)計了一個較為簡單的模型進行試驗，將利用免卸載測量法與傳統(tǒng)先卸載再加載的測量法得到的結(jié)果作對比，來驗證所提出測量方法的準(zhǔn)確性。

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

圖4 簡單試驗?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?zāi)Ｐ偷挠邢拊M計算圖

在免卸載測量法中，車輛傾斜角的大小對測量結(jié)果的精度、試驗的安全性均有較大的影響。要保證有足夠高的測量精度，車輛的傾斜角度不能太小；但在傾斜角過大時，容易導(dǎo)致測試車輛發(fā)生側(cè)翻[10]，且在車輛安全規(guī)范中對每種車輛都有規(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)試驗的傾斜角度為25°，如圖5所示。

2.1.2 試驗數(shù)據(jù)采集與分析

最終分別利用免卸載測量法與傳統(tǒng)先卸載再加載的測量法測得的應(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，傳統(tǒng)測量法與免卸載測量法所得試驗結(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，證明了免卸載測量法的準(zhǔn)確性。

2.2 實車試驗

2.2.1 試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

為進一步驗證本文中所提出測量方法的可行性，基于國內(nèi)某客車企業(yè)一12m級別客車進行了實車試驗(如圖8所示)。由于實際車輛在空載狀態(tài)下的車身結(jié)構(gòu)應(yīng)力值通過其他試驗方法很難測得，建立了試驗車輛的有限元模型進行仿真分析[12-13]，將所述免卸載測量法得出的結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果進行對比，驗證本文中所述方法的可行性。

圖8 免卸載測量法應(yīng)力測量試驗

實車試驗時分別在車身前后懸架處的地板平面上各布置一個傾角測量儀，然后緩慢將車輛傾斜，并保持兩個傾角測量儀的讀數(shù)一致，直接根據(jù)傾角測量儀示數(shù)確定車輛的傾斜角度，從而消除懸架變形對車身傾角的影響。

考慮到測量精度和試驗安全的要求，這里選取車輛的側(cè)傾角為18°。在車身結(jié)構(gòu)上選取30個測點進行測試，為降低測量誤差的影響，從中選取應(yīng)力水平較高的10個點作為樣本點與有限元模型中相應(yīng)的點進行對比。實車有限元模型如圖9所示。測試所得應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元模型中相應(yīng)測點的計算數(shù)據(jù)對比如表2所示。

圖9 實車有限元模擬計算圖

表2 實車試驗所得應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元計算所得數(shù)據(jù)對比

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)采集與分析

由表2可知，采用傾角測量法所測得的應(yīng)力值與有限元計算所得的應(yīng)力值平均誤差為6.78%，最大誤差也僅有11.76%，說明在實車試驗中，利用傾角測量法測得的應(yīng)力值與有限元模型的計算值仍有較好的一致性，進一步證明了本文中提出的免卸載測量法的可行性。

3 結(jié)論

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

[1] YOON SC，KIM J G，JEON C S，et al.Evaluation of structural strength in body structure of freight car[J].Key Engineering Materials，2010，417-418：181-184.

[2] 蘭鳳崇，賴番結(jié)，陳吉清，等.考慮動態(tài)特性的多工況車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].機械工程學(xué)報，2014，50(20)：122-128.

[3] 左曙光，閻礁，靳曉雄，等.扭桿梁后橋結(jié)構(gòu)輕量化分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，34(12)：1674-1678.

[4] 那景新，袁正，高劍峰.焊角形狀及尺寸參數(shù)對客車接頭強度的影響[J].中國公路學(xué)報，2015，28(10)：129-134.

[5] 秦泗吉.板材剪切與沖裁加工過程有限元模擬及實驗研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2002.

[6] 段偉，石琴，張雷，等.轎車白車身靜剛度分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，31(S1)：843-846.

[7] 丁濤，王廣科.車輪殘余應(yīng)力測試方法研究[J].中國機械工程，2012，23(12)：126-129.

[8] 夏祁寒.應(yīng)變片測試原理及在實際工程中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，34(28)：99-100.

[9] 鄭俊，趙紅旺，朵興茂.應(yīng)力應(yīng)變測試方法綜述[J].汽車科技，2009(1)：5-8.

[10] 曹立波，阮誠心，陳杰，等.客車側(cè)翻碰撞中的乘員損傷研究[J].汽車工程，2014，36(6)：683-688.

[11] 祝軍，李一兵.汽車側(cè)翻和翻滾事故建模研究[J].汽車工程，2006，28(3)：254-258.

[12] ZHI SY，LIU H J.Finite element analysis and optimizing design of the bus body[J].Applied Mechanics ＆ Materials，2012，215-216：78-81.

[13] 白霜.基于CAE驅(qū)動的純電動中巴車身結(jié)構(gòu)正向設(shè)計研究[D].長春：吉林大學(xué)，2016.

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。