基于載荷分布預分析的應變傳感器布置

摘要：采用載荷分布預分析技術，對某MPV汽車后橋進行了有限元分析，得到了該后橋在靜載、制動、轉向及扭轉4種工況下的應變云圖和張量圖。通過分析應變云圖和張量圖，確定了該后橋的關鍵受載部位及其主應力方向，然后處理標定試驗數據，線性回歸出后橋載荷—應變的函數關系，并通過實車道路試驗結果分析驗證了通過有限元分析確定出的后橋應變傳感器貼片位置的正確性。

關鍵詞：MPV后橋；載荷分布預分析；載荷譜；應變傳感器

中圖分類號： U467 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0047-04

The Layout of Strain Sensor Based on the Preanalysis Load Distribution

LU Yi1，ZHENG Song-lin1，2，FENG Jin-zhi1，2，ZHAO Li-hui1

（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；

2.Machinery Industry Key Laboratory for Mechanical Strength Reliability Evaluation of Auto

Chassis Components，Shanghai 200093，China）

Abstract: In this paper，the load distribution of the rear axle of a MPV（Multi-Purpose Vehicle） is preanalyzed by using the finite element analysis method，which obtains the contour and the strain tensor map under the four working conditions of the rear axle with static load，braking，steering and torsion. By analyzing the contour and strain tensor maps，the key load locations and their main stress direction is identified. Through processing data of the calibration tests，the equations of linear regression between load and strain on the rear axle are determined. Comparing with the real vehicle road test results，the placement locations of the sensor on the rear axle which is determined through the finite element analysis，are verified to be correct.

Key Words: rear axle of a multi-purpose vehicle；preanalysis of load distribution；load spectrum；strain sensor

長期以來，我國汽車業的整車和零部件的設計開發和耐久性評價技術相對滯后，研究積累比較薄弱，忽視了基礎數據的積累，特別是載荷譜的積累。而載荷譜是汽車先進開發和耐久性評價的基礎，它可為汽車耐久性實驗和評價提供依據。對于載荷譜的采集，最重要的就是關鍵受載部位的確定及應變傳感器布置位置的選擇，會在很大程度上影響載荷譜采集的準確性和精度。傳統測試技術大多憑經驗或采用應力涂層法、光彈性法等選取測點和傳感器類型，隨著計算機技術的普及和有限元強度分析技術的成熟，為載荷譜采集的這類測試任務提供了堅實的基礎［1］。本文將以某MPV后橋為研究對象，探討載荷譜采集工作中基于載荷分布預分析的應變傳感器布置技術。

1 載荷分布預分析

所謂載荷分布預分析主要是指依據有限元分析技術確定各種工況下零件整體的載荷分布，本文根據后橋CATIA模型，建立了后橋有限元分析模型。由于結構采用的均為板材，因而有限元模型采用殼單元。為保證計算精度，95%以上的單元為四邊形單元；焊接部位采用rbe2單元剛性連接；單元尺寸選取7 mm，局部小特征部位進行細化，最小尺寸為1 mm，最大尺寸為10 mm。為精確模擬接觸部位，縱梁與車架連接橡膠鉸鏈位置和扭桿同中間橡膠支撐座之間通過Gap連接模擬接觸。為降低分析難度，縱梁與車架橡膠鉸鏈和扭桿中間橡膠支撐座簡化為簡單的彈性體。

邊界條件：后橋主要通過3個部位承受載荷，即車輪同后橋縱梁上支架連接部位、后橋縱梁同車架橡膠鉸鏈連接部位及減震器彈簧支座底部。因此，分析時約束縱梁同車架連接鉸鏈部位的其他自由度，僅保留其繞中心線的轉動；彈簧支座的第3個自由度，即沿z軸移動的自由度釋放，約束掉其他自由度；在車輪支架上施加向上的集中力，力的大小按照20%的滿載（滿載情況設為2噸）自重施加，分別考慮靜載、制動、轉向及扭轉4個工況［2］。最終完成的有限元分析模型如圖1所示。

（共生成49 037個節點、43 969個單元、543個焊點和1 392個gap單元）

4種工況下，后橋的應變云圖如圖2～圖5所示。

2 應變傳感器的布置

根據4個工況下的有限元分析結果，提取左右兩側11個對稱危險部位（共22個）、2個中間部位作為應變測量點。其中7、13測量最大應變選用三向應變化各3個通道，32個應變測量通道，左右兩側各3個通道，如圖6 所示（注：圖中僅標示出后橋左側和中間傳感器的布置位置，右側同左側對稱）。

根據測量點的應變云圖和張量圖，確定各個測量點的最大應力方向，綜合考慮應變片在測量點處的布置空間和測量點處應變的變化均勻程度來選擇組橋方式。以測量點4為例，從應變云圖中能確定最大應力的區域位置（圖中圈出的區域為最大應力區），根據其對應的張量圖能確定最大應力方向為從左至右，從而確定主應變片的貼片方向在圖上顯示為從左至右的。對于4個工況下，最大應力方向不一致或無法判斷最大應力方向的情況，則采用三向應變花分別組橋測量。實際上，測量點4是在車橋縱臂與橫梁的焊接位置上，從圖中不難看出圈出區域比較小，若選擇全橋連接可能會由于空間不足而使4枚應變片不能完全在圈出區域內，因而在組橋方式上采用能夠自身實現溫度補償的T型半橋連接。

根據以上貼片原則，1、2、5號片采用全橋對臂測量，需要外接2片應變片組橋并作為溫度補償片；3、4、11、12號片采用T型半橋測量，自身實現溫度補償；6、8、9、10號片測量扭轉，采用全橋菱形貼片；7、13號位置為應變花，每片單獨測量3個方向的應變從而計算主應變，每個方向單獨組橋，考慮溫度補償，因此采用半橋單片測量方式。右側測量點的位置與左側的對稱分布，組橋方式也與左側相同［3］，完成貼片及相關保護措施的后橋如圖11所示。

3 標定、道路試驗及試驗結果分析

3.1 標定試驗

為了得到采集到的應變信號和后橋實際載荷的關系，在道路試驗前需要對后橋進行標定。考慮實際運用的簡單方便性和試驗數據的有效性，將標定實驗數據進行線性回歸分析，刪掉偏差比較大的試驗以及對側向力和垂向力響應很小的測點，最終選擇測點3、4、6、7、8、11、12、13這8個測點的應變值作為自變量，后橋所受的側向力和垂向力作為因變量，得到以下函數關系：

1 Vy VzT=c×?著T（1）

Fy=46.952×Vy-0.6（2）

Fz=138.2×Vz+541.9（3）

式中：Vy、Vz為側向和垂向電壓的回歸值（即預測值），單位mv。

在標定試驗中，側向電壓回歸值、垂向電壓回歸值及其對應的測點3、4、6、7、8、11、12、13的應變值見表1。

3.2 整車道路試驗

本次道路載荷譜采集選取路況為實車耐久性試驗規范要求道路，位于襄陽汽車試驗場二號綜合路（強化壞路），該路段全長6.9 km，主要包括蛇行卵石路、窨井蓋路等12種路況［4］。

3.3 試驗結果分析

數據采集設備采用LMS數據采集系統，運用公式（2）、（3）將采集到的電壓信號轉換成水平方向的側向力和豎直方向的垂向力，取在蛇形鵝卵石路面上的載荷時間歷程［5］，見圖12。

從蛇形鵝卵石路面上的載荷時間歷程圖可以看出，當車輛未進入蛇形鵝卵石路面時，所受側向力幾乎為零，垂向力也穩定在某一個值附近；進入該區域后車輛所受的側向力較大，并近似呈對稱分布，由于是鵝卵石路面，垂向力也呈現正弦變化的規律。

通過對道路試驗各個工況的分析，應變傳感器所采集到的載荷數據，能夠準確反映出各個工況下零件的載荷信息，運用有限元技術對后橋進行的分析，所確立的傳感器布置方案（包括傳感器的位置、類型、數量及主應力方向等）能夠有效地保證載荷譜測試的正確性和準確性。

4 結論

1）本文采用載荷分布預分析技術，對某MPV汽車后橋進行了有限元分析，得到了該后橋在靜載、制動、轉向及扭轉4種工況下的應變云圖和張量圖。通過分析應變云圖和張量圖，確定了該后橋的關鍵受載部位及其主應力方向。

2）通過有限元分析獲得的張量圖及主應力方向，為應變傳感器位置布置提供了技術依據。

3）通過對標定試驗數據的處理，選擇合適的測點通過線性回歸得出后橋載荷—應變的函數關系，并通過實車道路試驗結果分析驗證了通過有限元分析確定出得后橋應變傳感器貼片位置的正確性。

文中所介紹的載荷分布預分析的方法與思路能提高實際工作的效率，可應用于大規模汽車道路載荷譜采集。

參考文獻：

［1］ 王霄鋒，管迪華，何澤民.汽車零部件室內耐久性試驗方法［J］.汽車工程，1992，（4）：224-231.

［2］ 盧蕾蕾.扭桿梁后橋可靠性設計及輕量化［D］.上海：上海理工大學，2011.

［3］ 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊-試驗篇［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］ 周鉉.汽車試驗學［M］.上海：同濟大學出版社，2002.

［5］ 成永剛.轎車懸架耐久性試驗載荷譜的優化研究［D］.上海：上海理工大學，2009.