車架彎曲試驗與仿真對標誤差的探究

何遠宏　張清奎　徐敏　謝懷圣　周傲

摘 要：文章主要介紹車架疲勞試驗的實施過程以及此過程中的傳感器布置方式。通過仿真試驗相結合方式，來修正數值模型。為以后的類似的仿真提供參考模型，同時對比多組仿真和試驗數據，并對仿真數據與試驗數據的異同點進行了探討，為以后的仿真積累了經驗。關鍵詞：彎曲試驗;仿真;對標;誤差中圖分類號：U463.32 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-83-03

Abstract： This paper mainly introduces the implementation process of frame bending test and the sensor arrangement in this process. The numerical model is modified by the combination of simulation and experiment.It provides a reference model for similar simulation in the future. At the same time， it compares several groups of simulation and test data， the similarities and differences between simulation data and test data are also discussed. To accumulate experience for future simulation.Keywords： Bending test; Simulation; Benchmarking; ErrorCLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-83-03

前言

計算仿真在各行各業得到了廣泛的應用，并在多方面逐步取代了試驗，縮短了產品驗證環節和開發成本。但仿真的結果建立在正確的模型基礎之上，幾何模型，材料模型，以及邊界模型以及其他各方面偏差都會影響仿真結果。為了得到正確的仿真結果，需要實驗驗證^[1]，通過試驗來修正模型。使仿真結果與試驗結果趨于一致。用修正后的模型做仿真分析，取代實驗以達到節省成本的目的。

本文通過試驗仿真對標，來驗證仿真的模型的準確性。同時通過對模型的調整使仿真結果與試驗結果趨于一致。為后來的產品開發仿真提供準確的數字模型，并對產生誤差的原因進行了探討。

1 車架試驗過程及結果

1.1 彎曲試驗

臺架的設計^[2]依據實際工況，且保障臺架相對結構有足夠大的剛度，以便得到理想的車架邊界條件。

載荷的施加在鞍座上，載荷分三個階段施加，第一、二、三階段分別加載180KN、270KN、360KN，載荷形式為正弦等幅值周期載荷，加載頻率^[3]為1-1.4HZ。

位移傳感器在平衡軸上和前橋旋轉附近左右兩側各布置1組傳感器，以監測臺架剛度。大梁其他位置沿縱向每隔1300mm左右布置一組位移傳感器。檢測其上下位移變化。

應變計主要安裝在大梁擾度最大區附近，擾度最大處應力幅值相對較大。大梁上下端面受擠壓或拉伸變形，應力狀態相對簡單，在上下端面安裝應變片，在側面安裝應變花。

采集設備可以時刻動態采集數據，監測大梁的位移和應力的變化。

位移傳感器輸出的正位移表示大梁上翹，輸出的是負值表示大梁下彎，單側大梁測量點輸出的位移如下表所示：

以下彎擾度最大處傳感器輸出位的移計算大梁彎曲剛度，可從擬合曲線上看出擬合剛度為75.9KN/mm。

應變片只能檢測出單向應力，應變花可以確定一點的完整的應力狀態，測試軟件輸出第一、第二主應力。由于各向同性低碳鋼以Von mise 應力來考察其強度^[4]。需將輸出的結果轉化為Von mise 應力， Von mise應力和主應力關系為 σ={[σ₁²+σ₂²+（σ₁-σ₂）²]/2}^0.5 ，其中σ為Von mise 應力，σ₁ 為第一主應力，σ₂為第二主應力。1-6 #應變花測到應力經轉化后的結果如下表：

各點的應力狀態轉化為Von mise 應力有利于減少仿真與分析的對標時的工作量。

2 彎曲對標

2.1 位移仿真及對標

對試驗車架做仿真分析，仿真模型的建模與試驗模型保持一致。其中工況設置和臺架試驗相同，在分析后處理中標注出與試驗車架上相同測量位置的各物理量。

彎曲試驗測試的是垂直向位移，即為圖4中的Y向位移。應力結果是Von mise 應力。

仿真對標試驗時，第一考察位移對標重合度要高，位移對標誤差小，應力對標誤差就小。在位移對標中首先要關注前后橋旋轉中心處的位移，要和試驗保持一致。這樣才能保證仿真臺架模型的剛度和試驗臺架模型剛度保持接近。然后再微調模型使多數測試點和試驗誤差控制在10%以內，誤差特別顯著的點可以臨時剔除，但保證整體分布點要合理，不能出現車架大段無測量點的情況出現。

各測試點的為Von mise 應力。這樣不用比較各應力分量，有利于比試驗、仿真應力的差異。

由于仿真為線性準靜態分析，仿真結果和試驗結果從小逐步增大過程中，仿真與試驗的差別也越來越明顯，除車架轉動中心處，誤差較大。此處理論為零位移。但實際不不能保證得到零位移。其他各點在小載荷去基本保持在10%以內，仿真結果基本反映出大梁真實彎曲和應力大小情況。

從以上圖看也可以看出隨著載荷增大，仿真試驗的位移和應力誤差隨著增加。試驗剛度擬合曲線存在非線性行為。而仿真剛度擬合基本為線性。仿真剛度為82.9Kn/mm，與試驗所得剛度值存在9%的誤差。此誤差產生的原因，主要由兩點，第一是由于仿真臺架與試驗臺架存在一定差別，第二試驗加載幾何存在一定非線性行為，而仿真采用的是準靜態線性分析。

3 結論

試驗和仿真對標誤差基本在可接受的范圍之內，仿真所得結果在較小載荷內與實際吻合度高，在此載荷內，可采用準靜態方法仿真分析，在大載荷段由于非線性成份增大。要考慮幾何和材料的非線性行為。

本文所述試驗和仿真對標是在彎曲工況所做的論述，對此工況下仿真分析有參考意義，但對模型剛度考察并不全面，若要全面考察模型剛度，并修正其剛度，需做模態對標^[5]工作。

參考文獻

[1] 申娟，歐家福，劉德輝.重型車架彎曲扭轉試驗方案探究[J].重型汽車.2011.06期.

[2] 李鵬，譚志軍，倪城琳，黎朝琳，李承燕.基于臺架試驗重型商用車車架研究[J].四川兵工學報， 2014年07期.

[3] 史展飛，李玉龍，索濤，等.載荷頻率對金屬及其合金高周疲勞特性的影響[J].材料科學與工程學報，2009年03期.

[4] 丁智平，劉義倫，尹澤勇，楊治國，成曉鳴.鎳基單晶高溫合金的屈服準則研究[J].機械強度，2004年02期.

[5] 于金朋，張衛華，黃雪飛，等.基于試驗模態的高速列車車體結構動力學模型修正研究[J].噪聲與振動控制，2015年03期.