车身强度台架试验方法研究现状

 车试验系统设计应该遵循费歇(Fisher)三原则,即重复原则,随机化原则和局部控制原则。重复原则指的是只要条件允许,应尽量避免在整个试验过程中只重复次的做法。随机化原则指的是在试验中对试验的顺序、步骤按照随机性原则来安排。局部控制原则(又称分层原则)指将试验对象按照某种分类标准或某水平加以分组,在同一组内的试验尽量保持受相同的影响即试验条件相一致,而使组与组之间的变化大些,从而减少试验误差。在此原则下面,科学、合理的安排试验,在众多的因素中分清主次,找出主要矛盾,减小试验的次数,统筹试验周期,提高经济效益。
       一个合理、完善的车身强度台架试验方法一般由试验条件(主要是载荷)、夹具的设计、台架的安装、试验数据采集和处理、疲劳寿命估算等过程组成。显然要研究试验方法就必须从这几个方面入手,找到它们各自的规律和相互的规律才能制定出合理科学的试验方法。
       台架强度试验载荷的施加通常采用等幅循环载荷和道路模拟载荷两种方法。等幅循环载荷方法指在车身上施加等幅循环载荷,即频率恒定,幅值相等,该方法是目前国内普遍采用的方法。而道路模拟载荷指的是在台架上快速实现车身的道路载荷历程,并提供车身当量使用里程作为车身疲劳性能参数,该方法在欧美汽车工业发达国家已经得到应用,并且收到非常好的效果,该方法是国内车身强度台架试验的发展方向。载荷的大小主要要考虑的问题是载荷的强化问题,因为车身疲劳试验往往周期很长,在可接受的误差范围内,尽可能的减少试验的周期。而目前常用的载荷强化方式包括:1)增大试验载荷的频率,增大试验的试验频率对试验结果一般不产生影响,这样可以部分缩短试验时间,但是该方法仅适用于简单的疲劳试验。2)高频小载荷的折算或忽略,高频小载荷一般占用了大部分试验时间,但它们却产生小部分的疲劳损伤,在相关疲劳性能数据已知的情况下,可以按当量损伤原则把高频小载荷折算成低频大载荷,并叠加到相应的载荷水平上,这样可以大大节省时间。在某些场合,甚至可以不折算而直接忽略高频小载荷,但是这样会给试验结果产生一定误差。3)通过强化系强化载荷,将原始的载荷谱乘上一个强化系数,得到一个强化的载荷,这样可以较大的缩短试验的时间。由于汽车在实际行驶过程中车身受到的载荷非常复杂,其主要包括由地面不平度引起的垂直方向的载荷、汽车转向或侧向风引起的侧向载荷和由汽车制动引起的纵向方向载荷。所以在强度台架试验中应该即包括单一载荷又包括组合载荷。根据汽车行驶情况可知,在台架试验中应该合理的将三个方向的载荷组合起来,这样才能真实准确的反映车身的强度。要实现组合加载,通常采用多向加载试验装置,即建立一个统一的高压油泵站,由该站把高压油输送到安置方向不同的电液侍服动作器,按预先置入的程序进行试验。目前多向加载试验装置在国外汽车工业发达的国家较为普遍,而国内一些大型、专业汽车企业和科研单位也从国外引进。
       车身强度台架试验中的夹具设计的核心问题是车身的夹持位置。由于各个车型的具体结构形式不同,其车身的夹持位置也不竟相同,没有统一的标准和规范。但是一个基本原则必须遵守:尽可能的减小由约束引起的试验误差。有长期的试验积累可知,车身装夹位置选择不恰当,将引起车身局部变形剧烈和应力集中,从而引入较大的误差,甚至可能掩盖真实的试验结果,得到错误的结果。目前,车身强度台架试验中车身的夹持位置通常选择在纵梁上,通过U形螺栓将其锁死在台架上,通常夹持位置选择在汽车的纵梁上,通过U形螺栓将其锁死在台架上。为了真实模拟车身受载之后的变形情况,夹持的位置一般都位于前后悬架的中间,采用四个位置约束,保持变形的对称性。
      车身强度台架试验的主要目的是考核车身的疲劳寿命,所以要得到的数据是车身的应力,目前工程中通常采用的方法是:通过应变片测得应变,然后再将其转换成应力。测量应变量传感器最主要的是应变片,其按原理和构造分为金属丝式应变片、金属箔式式应变片和半导体应变片。金属丝式应变片按其端部形状分为圆角、尖角和直角三种。由于横向效应的作用,使圆角栅状的圆角部分电阻丝的电阻发生变化,给测量带来误差。将栅状端部制成尖角和直角,可以减少横向灵敏度的影响。但是圆角栅式应变片制造容易、成本低,是最常见的应变片。金属箔式应变是通过光刻技术制成的金属箔栅,其特点是与粘合层的接触面大,能够更好的随同被测试件变形;承受交变载荷时疲劳寿命长,在长时间测量时蠕变小;表面积大,散热条件好;允许通过较大电流,以增大输出。由于上述特点金属箔式应变片的应用范围日益扩大,逐步取代了金属丝式应变片。半导体应变片的敏感元件是半导体,其灵敏度系数主要受压阻效应系数影响。半导体应变的优点是灵敏度系数高,与之配合的电子测量仪器可大为简化;机械滞后小,横向灵敏度几乎为零。其缺点是电阻和灵敏度系数的温度稳定性较差,测量大应变时非线性较为严重,离散度较大,使测量结果误差较大。由于上述缺点,使得半导体应变片推广较慢。应变测试中要特别注意的问题是贴应变片的的方向问题。应变片的方向应该是该位置的最大应变的方向,如果应变片的方向不正确,将给测试结果带来非常的误差。目前确定贴片方向通常有两个方法,在贴片区附近贴上三个方向的应变片和通过有限元分析得到贴片处的三个方向的应变指导贴片。
       由于车身强度台架试验要求同时测试多个位置的应变量,且其应变量是一个动态的量,所以通常使用多通道动态应变测试系统。其整个测试原理及过程为:当被测构件受外力作用引起变形,应变片敏感栅也随之发生变形,同时其电阻值也发生相应的变化;其变化量的大小与构件表面成一定的比例关系,经过后接的测试电路(如电桥)将应变片敏感栅的电阻变化量转化为电信号输出,最后由显示记录仪器记录或输入计算机、分析仪器进行数据处理。
       在疲劳寿命估算阶段,由于疲劳发生的机理非常复杂,同时疲劳由很多不定因素的影响,所以到目前没有一个标准,通用的疲劳寿命的预测方法。同样车身强度台架试验中对车身的疲劳寿命预测也没有一个通用的规范,通常采用的疲劳寿命预测都主要是通过样件试验和经验公式得到的。按照循环应力大小,车身疲劳破坏可分成应力疲劳和应变疲劳。当最大循环应力小于车身材料的屈服应力时,疲劳称为应力疲劳。由于应力疲劳中作用的应力水平较低,其寿命循环次数较高,一般大于10000 次。故应力疲劳又称为高周疲劳。根据车身在实际使用中的受载情况可知,车身在绝大部分行驶时间内的应力是低于其材料的屈服极限的,车身的疲劳寿命估算应采用高周疲劳方法进行估算。另外,若最大循环应力高于材料的屈服极限,则由于材料屈服后应力变化较小,用应变作为疲劳寿命估算参数更为恰当,故称之为应变疲劳。由于应变疲劳中作用的应力水平较高,其寿命循环次数较低,一般小于10000 次。故应变疲劳又称为低周疲劳。汽车在行驶过程中,当遇到路面的凹坑或凸包、或紧急制动、转向时,车身某些区域的应力有可能超过材料的屈服应力,车身这些区域的疲劳寿命估算应采用低周疲劳方法进行估算。

 

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