承載式車身強(qiáng)度試驗(yàn)分析研究

1、2011年第5期（總第期期）238511年第農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERINGNo52011（Totally238）【車輛工程技術(shù)】doi：103969jissn16733142201105003承載式車身強(qiáng)度試驗(yàn)分析研究鄺坤陽(yáng)（合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥，230009）摘要：承載式車身強(qiáng)度試驗(yàn)是針對(duì)承載式車身輕量化的需要，在有限分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原車進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)。較詳細(xì)介紹了試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析。在強(qiáng)度校核采用3原則，充分刻畫動(dòng)態(tài)應(yīng)變的隨機(jī)性。試驗(yàn)和分析結(jié)果是對(duì)有

2、限元分析結(jié)果的有效校核，同時(shí)為車身輕量化提供參考和依據(jù)；介紹的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)相關(guān)研究具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：承載式車身；強(qiáng)度試驗(yàn)；統(tǒng)計(jì)分析；頻域分析中圖分類號(hào)：U463822文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-3142(2011)05-0008-04ResearchandAnalysisofBearingCarbodyStressIntensitybyTestKuangKunyang（SchoolofMachineryandAutomobileEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China）Abstract：Inordert

3、olightenthebearingcarbody，onthebaseofFEManalysis，strainstresstestiscarriedouttoanalyzetheintensityoftheoriginalcar，verifyingtheconsistencyoftestresultandFEManalysisresultInthispaper，thetestmethodisintroducedparticularly，andstatisticalmethodandfrequencyfieldmethodisadoptedtoanalyzethetestresultsWhenc

4、heckingoutthecatbodyintensity，3methodisused，depictingtherandomicityofdynamicstrainadequatelyResultsofthetestandanalysisprovidereferenceandevidenceThemethodoftestanddataprocessing，discussedinthepaper，isinstructivetocorrelativeresearchKeywords：bearingcarbody；intensitytest；statisticanalysis；frequencyfi

5、eldanalysis0引言隨著對(duì)節(jié)能和環(huán)保認(rèn)識(shí)的加深，節(jié)能和環(huán)保已成為汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)大的趨勢(shì)和發(fā)展方向。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了使汽車達(dá)到高效、節(jié)能、減重，研究人員一直在探尋汽車輕量化之路。為了達(dá)到輕量化的目的，在汽車設(shè)計(jì)和改進(jìn)過程中，常需對(duì)車身和車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證1。本文針對(duì)某客車輕量化的需要，在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)原車進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，為其承載式車輕量化提供參考。3818型靜態(tài)應(yīng)變儀和DH-5937型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。應(yīng)變儀與電腦相連，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中采用全程紀(jì)錄，分路段標(biāo)記的方法。在數(shù)據(jù)采集中，進(jìn)行低通濾波。采樣頻率為50

6、0Hz，試驗(yàn)結(jié)果滿意。1.2試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)針對(duì)有限元分析和經(jīng)驗(yàn)上的薄弱點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。采用靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了凹坑路面、扭曲路路面、搓板路面等各種路面的測(cè)試。應(yīng)變片的布置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。因此，選擇貼片點(diǎn)時(shí)，遵循以下原則：（1）有限元分析應(yīng)力較大和結(jié)構(gòu)薄弱的點(diǎn)2；（2）實(shí)踐中表明可能存在的應(yīng)力集中點(diǎn)；（3）實(shí)施布點(diǎn)時(shí)工藝1承載式車身強(qiáng)度試驗(yàn)通過對(duì)某客車原車進(jìn)行整車靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)強(qiáng)度性能測(cè)試，全面掌握其強(qiáng)度性能。1.1數(shù)據(jù)采集及相關(guān)試驗(yàn)儀器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采用DH-收稿日期：2011-03-11作者簡(jiǎn)介：鄺坤陽(yáng)（1986），男，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生，研究方向：車輛安全

7、與診斷技術(shù)。圖1第9截面梁的應(yīng)變片布置圖8鄺坤陽(yáng)：承載式車身強(qiáng)度試驗(yàn)分析研究表1應(yīng)變片點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力（MPa）計(jì)算值（MPa）試驗(yàn)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力比較搓板路應(yīng)力MPa最大值最小值2011年5月扭曲路應(yīng)力MPa最大值最小值凹坑應(yīng)力MPa最大值最小值1323344356-2.389-10.486-11.316-0.17592-55.6329-9.1283-8.0721-1.6597-9.2037-5.2305-7.9965-10.511-1.7351-7.9714上可行的點(diǎn)。整個(gè)車身共布置113個(gè)應(yīng)變片。第9百分比截面梁貼片點(diǎn)見圖1。0020015001000538363432

8、302826242220182.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步處理數(shù)據(jù)初步處理中，通過廣義胡克定律F=E（F應(yīng)力,E材料彈性模量,材料的應(yīng)變），計(jì)算出各點(diǎn)的應(yīng)力。在強(qiáng)度校核中，將各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大值與材料的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，初步判斷強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿足要求。另外，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)有限元分析的可行性進(jìn)行校核。部分的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值見表1。試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果吻合情況良好，說明有限元模型正確。百分比應(yīng)力MPa圖300500450040035003002500150010005343230路況2（搓板路）2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析中，采用應(yīng)力MPa28

9、262422圖4路況3（凹坑）析系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析處理。運(yùn)用DHSTT2000統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行概率密度函數(shù)、累積密度描述。概率密度函數(shù)和累積密度不僅能反映隨機(jī)變量可能取什么值，而且描述了以多大概率取這些值，充分地刻畫了隨機(jī)變量的概率性質(zhì)3。圖2圖4和圖5圖7分別為1測(cè)點(diǎn)概率密度函數(shù)和累計(jì)密度函數(shù)。概率密度函數(shù)和累計(jì)密度函數(shù)圖清楚表明各種路面作用產(chǎn)生應(yīng)力分布概率。不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)不同概率。這是進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。007006005百分比DHSTT2000統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)和DHSAS2000頻譜分1090807060504030201025242322212019181716應(yīng)力

10、MPa圖5路況1（扭曲路）10908070605040302013836343230282624222018百分比應(yīng)力MPa圖61090807060504030201034路況2（搓板路）百分比00300200125242322212019181716百分比004應(yīng)力MPa3230應(yīng)力MPa28262422圖2路況1（扭曲路）圖7路況3（凹坑）92011年第5期農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程表2測(cè)點(diǎn)均值、平均離差和3區(qū)間(MPa)測(cè)點(diǎn)扭曲路搓板路均值平均離差4003區(qū)間均值平均離差3區(qū)間均值平均離差凹坑3區(qū)間由于路面作用的隨機(jī)特性，車身測(cè)點(diǎn)應(yīng)力一矩估計(jì)法獲得應(yīng)力的均值和平均離差，按照正態(tài)分布，求得應(yīng)力概率

11、密度函數(shù)和概率分布函數(shù)，對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述。部分點(diǎn)的均值和平均離差見表2。按照3原則5（應(yīng)力在3范圍之外的失效概率僅為2.62%），分析計(jì)算各點(diǎn)應(yīng)力大于3的區(qū)間（見表2），從而可對(duì)車身強(qiáng)度做出準(zhǔn)確判斷。Mag般服從正態(tài)分布4。對(duì)各路段應(yīng)力進(jìn)行處理，通過20000000024394878Hz圖10路況3（凹坑）特性進(jìn)行較精確的判斷，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠參考。隨機(jī)信號(hào)常采用頻譜分析方法。如圖8圖102.3承載式車身強(qiáng)度分析試驗(yàn)結(jié)果分析表明，整車應(yīng)變較大的點(diǎn)主要所示，此承載式車身低頻作用產(chǎn)生的應(yīng)變大，這與理論分析和實(shí)踐相符合。如圖所示，應(yīng)變較大的點(diǎn)，頻率很少大于20Hz。另外，此分析結(jié)

12、果可以與模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行相互印證，對(duì)承載式車身模態(tài)106在前門和中門、第8和第9截面梁、前懸縱梁和后懸縱梁及車身側(cè)圍處。其中應(yīng)力最大的99點(diǎn)在3處應(yīng)力為61.5MPa。試驗(yàn)車車身采用16Mn鋼，其靜態(tài)許用應(yīng)力=211238MPa，考慮動(dòng)載和疲勞載荷的作用（動(dòng)載安全系數(shù)取2.5，疲勞安全系數(shù)取1.6），動(dòng)態(tài)許用應(yīng)力d=52.759.5MPa。按照3原則，此承載式車身強(qiáng)度在極限狀況下可能Mag053存在危險(xiǎn)。但車身其他各處強(qiáng)度過高，在3處應(yīng)力很少大于30MPa，強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏于保守，且強(qiáng)度分布不均，有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。00000012182436Hz圖8096路況1（扭曲路面）3結(jié)論1）試驗(yàn)結(jié)果表明某

13、客車承載式車身強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏于保守，輕量化空間較大。在輕量化過程中，在Mag滿足安全的前提下，可以減小強(qiáng)度較高構(gòu)件的強(qiáng)048度，實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)以適應(yīng)節(jié)能和環(huán)保需要。2）本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分000析的方法，能準(zhǔn)確判斷車身應(yīng)變和強(qiáng)度性能，為輕24394878Hz000量化提供了可靠參考。（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）圖9路況2（搓板路面）102011年第5期農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程表3三種工況時(shí)前車架最大位移與應(yīng)力部位工況最大崛起力偏載最大牽引力偏載最大崛起力剩余牽引力偏載最大位移mm最大位移部位翻斗油缸鉸座左側(cè)翼箱加強(qiáng)板上端左側(cè)翼箱處的側(cè)板上端變形較大大部分構(gòu)件最大應(yīng)力最大應(yīng)力MPa609070MPa2

14、28242978620637最大應(yīng)力部位下鉸接板鉸接座處左側(cè)翼箱上加強(qiáng)板與后背板連接處右側(cè)翼箱下加強(qiáng)板與后背板的連接處15961651121070MPa。5小結(jié)從以上分析結(jié)果可以看出：前車架結(jié)構(gòu)上半部變形與應(yīng)力較大，下半部變形與應(yīng)力較小，前車架翼箱上部外側(cè)變形較大，鉸銷處變形較大；兩側(cè)翼箱與后背板交接處應(yīng)力較大；兩翼箱上下部的加強(qiáng)板與后背板連接處的應(yīng)力較大，后背板中間圖16工況3的載荷約束位置部位和上部應(yīng)力較大；下鉸接座約束部位的應(yīng)力較大。上半部變形與應(yīng)力較大，下半部變形與應(yīng)力較小的主要原因是：作用于車架上半部的翻斗油缸力、動(dòng)臂支撐力及動(dòng)臂油缸力比作用于車架下半部的力都要大很多，因而對(duì)上半部分

15、的影響較大。表3列出了三種工況時(shí)前車架最大位移與應(yīng)力部位。參考文獻(xiàn)圖17工況3的位移分布云圖1黃國(guó)權(quán)有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20042王鷹宇，姚進(jìn)，成善寶基于ANSYS環(huán)境的參數(shù)化有限元建模J機(jī)械，2003，30（4）：12143胡海峰基于實(shí)體的有限元建模技術(shù)J機(jī)械，2003，30（5）：78804楊國(guó)靜裝載機(jī)工作裝置有限元力學(xué)模型的簡(jiǎn)化J礦山機(jī)械，1990，1：31345石沛林，徐冠林，張立榮ZL50型裝載機(jī)鏟斗的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)J工程機(jī)械，2008，（6）6楊小蘭，劉極峰基于ANSYS的有限元法網(wǎng)格劃分淺析J煤礦機(jī)械，2005，（1）（a）前視（b）后視圖18工況3的應(yīng)力分布云圖（上接第10頁(yè)）3）試驗(yàn)中未能進(jìn)行車