基于CAE仿真和矩陣標(biāo)定的汽車零部件載荷測試方法

程凱+孟凡亮+張關(guān)良+吳澤勛

摘要：針對結(jié)構(gòu)形狀及受載復(fù)雜的汽車零部件的載荷測試，采用矩陣標(biāo)定方法進(jìn)行載荷測試.根據(jù)CAE應(yīng)力仿真結(jié)果確定應(yīng)變貼片位置并利用CAE方法模擬試驗(yàn)矩陣標(biāo)定過程，確定可行的試驗(yàn)矩陣標(biāo)定方案；開展試驗(yàn)矩陣標(biāo)定和路譜采集，得到試驗(yàn)標(biāo)定矩陣和應(yīng)變歷程并計(jì)算零部件的載荷.以某款汽車后懸架拖曳臂標(biāo)定為例闡述標(biāo)定過程，并驗(yàn)證該方法可行.該方法能提升復(fù)雜零部件的載荷測試、動(dòng)力學(xué)載荷分解和疲勞試驗(yàn)精度.

關(guān)鍵詞：汽車； 零部件； 載荷測試； 矩陣標(biāo)定； 拖曳臂標(biāo)定； 應(yīng)變貼片

中圖分類號(hào)： U463

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：As to the load measurement for the components with complicated structural shape under complex loads， the load measurement is carried out using matrix calibration method. According to the stress results obtained by CAE simulation， the position of strain gauge is determined and the test matrix calibration process is simulated by CAE method to determine a feasible test matrix calibration scheme. The test matrix is calibrated and the road spectrum is collected， and the test calibration matrix and the strain history are obtained， by which the loads on components are calculated. The calibration process is illustrated by taking the trailer arm calibration of the rear suspension of an automobile， which verifies that the method is feasible. The accuracy of load measurement， dynamics load decomposition and fatigue test can be improved for complex components by the method.

Key words：automobile； component； load test； matrix calibration； trailer arm calibration； strain gauge

0 引 言

近年來，疲勞仿真技術(shù)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)取得顯著進(jìn)步，并在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中得到廣泛應(yīng)用.通常做法是利用Adams進(jìn)行道路譜載荷分析[1]得到零部件連接處載荷譜，并利用此載荷譜進(jìn)行疲勞仿真驗(yàn)證，同時(shí)也可進(jìn)行零部件臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證.[2]結(jié)果的可信度很大程度上取決于連接處載荷譜的準(zhǔn)確性，所以能夠準(zhǔn)確測得零部件連接處的載荷譜尤為重要.

目前，對于結(jié)構(gòu)規(guī)則且受力單一的簡單零部件，如彈簧、穩(wěn)定桿及一些二力桿結(jié)構(gòu)部件，很容易得到力和應(yīng)變的標(biāo)定方程，且精度也比較穩(wěn)定[3]；但對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且?guī)讉€(gè)方向載荷同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)部件上，應(yīng)變由耦合在一起的載荷同時(shí)作用時(shí)，用常規(guī)的標(biāo)定方法無法得到標(biāo)定方程[4].此時(shí)可以考慮將載荷分解成2個(gè)或多個(gè)互相垂直的分量，且在結(jié)構(gòu)上用多個(gè)應(yīng)變進(jìn)行標(biāo)定，得到應(yīng)變矩陣與互相垂直載荷分量的關(guān)系，從而完成標(biāo)定過程.[5]在此過程中，由于結(jié)構(gòu)形狀和受力復(fù)雜，很難確定應(yīng)變貼片位置和標(biāo)定矩陣方案的可行性，導(dǎo)致在試驗(yàn)中標(biāo)定失效而需重新標(biāo)定，浪費(fèi)大量的時(shí)間.為解決此問題，結(jié)合CAE仿真結(jié)果和矩陣標(biāo)定的方法，在試驗(yàn)標(biāo)定之前完成虛擬矩陣標(biāo)定驗(yàn)證，然后進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，并通過六分力采集數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法合理性，提高標(biāo)定效率和準(zhǔn)確性.[6]

1 矩陣標(biāo)定理論

2 零部件受力測試方法

鑒于零部件結(jié)構(gòu)形狀和受載環(huán)境的復(fù)雜性，必須首先進(jìn)行零部件的載荷環(huán)境分析[7]，確定受力情況，然后進(jìn)行CAE應(yīng)力分析以確定應(yīng)變貼片位置及載荷標(biāo)定測試，具體過程見圖1.

1）貼片位置確定.選取應(yīng)變響應(yīng)較大、與非測試載荷不耦合且試驗(yàn)中可貼片的位置點(diǎn).[8]為保證標(biāo)定的準(zhǔn)確性和成功率（測試中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變貼片信號(hào)異常），選取的應(yīng)變貼片數(shù)量要大于所測載荷的數(shù)量.

2）虛擬矩陣標(biāo)定和方案驗(yàn)證.通過軟件中的虛擬應(yīng)變貼片功能，模擬試驗(yàn)標(biāo)定過程，確定矩陣標(biāo)定方案.[9]通過相近車型的連接點(diǎn)多軸載荷歷程，驗(yàn)證矩陣標(biāo)定方案的合理性；也可以通過設(shè)定與標(biāo)定載荷成特定角度的載荷，驗(yàn)證矩陣標(biāo)定方案的合理性.合理性主要通過虛擬標(biāo)定得到的載荷歷程與加載載荷歷程的比較，二者基本重合則滿足測試要求.

3）試驗(yàn)矩陣標(biāo)定和方案驗(yàn)證.在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)標(biāo)定，求得標(biāo)定矩陣.加載有一定角度的載荷，通過該載荷作用下的應(yīng)變值和標(biāo)定矩陣反求標(biāo)定載荷.對比標(biāo)定載荷與理論載荷的差異，驗(yàn)證矩陣標(biāo)定方案的合理性，判斷是否滿足測試要求.

4）整車路譜采集.試驗(yàn)矩陣標(biāo)定驗(yàn)證合理可行后，即可開展道路譜采集應(yīng)變信號(hào)[10]，結(jié)合試驗(yàn)標(biāo)定矩陣反求標(biāo)定載荷.在采集過程中應(yīng)及時(shí)觀察應(yīng)變貼片狀態(tài)，避免因貼片損壞而重新標(biāo)定，浪費(fèi)大量時(shí)間和成本.可以增加應(yīng)變貼片數(shù)量，確保獲取所需最少應(yīng)變數(shù)量不減少.

3 工程實(shí)例

基于某車型多連桿懸架的后拖曳臂結(jié)構(gòu)，闡述整個(gè)標(biāo)定過程.該拖曳臂一端固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上，另一端為襯套連接，且襯套扭轉(zhuǎn)剛度較弱，見圖2.通過對多連桿懸架的簡單動(dòng)力學(xué)仿真受力分析可知：該拖曳臂結(jié)構(gòu)主要承受x方向載荷Fx，其次是z和y向載荷Fz和Fy.為簡化標(biāo)定，選取Fx，F(xiàn)z和Fy等3個(gè)平動(dòng)載荷進(jìn)行載荷標(biāo)定測試.

3.1 確定貼片位置

約束拖曳臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點(diǎn)，在襯套連接點(diǎn)分別加載6個(gè)方向載荷.選取對

Fx，F(xiàn)z和Fy響應(yīng)大，而對3個(gè)方向的扭矩Tx，Ty和Tz響應(yīng)小的區(qū)域進(jìn)行貼片.最終選取貼片點(diǎn)1#，2#和3#，見圖3.

3.2 虛擬矩陣標(biāo)定及方案驗(yàn)證

通過3個(gè)應(yīng)變貼片標(biāo)定Fx，F(xiàn)y和Fz，寫成矩陣形式即F3×1=A3×3E3×1.在有限元模型中的約束點(diǎn)約束6個(gè)方向自由度，虛擬標(biāo)定時(shí)的加載工況見表1，3個(gè)方向分別加載1 000 N力值（可根據(jù)實(shí)際情況選取）.

施加與標(biāo)定載荷成角度的載荷，驗(yàn)證矩陣標(biāo)定方案，即采用整車坐標(biāo)系，在XZ平面距X軸30°方向應(yīng)用液壓缸加載3 000 N載荷（見圖6），加載間隔為500 N，加載順序?yàn)?00，1 000，1 500，2 000，2 500和3 000 N.通過將標(biāo)定結(jié)果與理論值進(jìn)行對比，考察標(biāo)定矩陣的合理性，見表2.由對比結(jié)果可知：標(biāo)定矩陣較為合理、精度較高，可以應(yīng)用到整車路譜采集過程中.

3.4 路譜采集

通過路譜采集得到3個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變歷程，見圖7.根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定矩陣和應(yīng)變歷程，求得3個(gè)方向載荷Fx，F(xiàn)z和Fy，見圖8.

3.5 標(biāo)定結(jié)果的合理性判斷

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，見圖9.當(dāng)輪心受到x方

向載荷時(shí)，傳遞到P5點(diǎn)的力在理論上會(huì)有一定損失，而P2，P3和P4主要承受整車y方向載荷，x方向上近似為自由無約束狀態(tài)，所以可以認(rèn)為Fx，w與Fx，b趨勢基本保持一致.為驗(yàn)證標(biāo)定的Fx，b的合理性，采集過程中特別搭載六分力儀，因?yàn)榱至閷?shí)測值，精度較高，可以將標(biāo)定載荷與輪心Fx，w方向?qū)崪y載荷進(jìn)行對比.

2條曲線趨勢基本保持一致，但2條曲線的峰值有一定差別，主要由輪心的加速度及P2，P3和P4的x方向載荷引起，見圖11.2條曲線相差最大值約為1 000 N，但整體趨勢保持一致，可以認(rèn)為x方向載荷相對較合理，其他方向載荷因沒有對應(yīng)的監(jiān)測載荷，所以沒有對比，但綜合本文中的虛擬驗(yàn)證、標(biāo)定過程中的驗(yàn)證結(jié)果可以認(rèn)為本次矩陣標(biāo)定合理.

4 結(jié)束語

闡述一種針對結(jié)構(gòu)形狀和受載復(fù)雜的零部件的載荷測試方法.通過CAE虛擬仿真模擬整個(gè)試驗(yàn)標(biāo)

定測試過程，首先虛擬驗(yàn)證標(biāo)定方案的合理性，然后應(yīng)用到實(shí)際試驗(yàn)過程，用仿真標(biāo)定指導(dǎo)試驗(yàn)標(biāo)定，有效地提高載荷測試精度和效率.該方法使用的前提結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生塑性變形并且忽略振動(dòng)響應(yīng)的影響.該方法對于動(dòng)力學(xué)載荷分解和零部件疲勞試驗(yàn)精度提升均有重要意義.

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（編輯 于杰）