3 用于道路载荷测量的测量轮-汽车零部件强度试验和评价
程凯+孟凡亮+张关良+吴泽勋
摘要：针对结构形状及受载复杂的汽车零部件的载荷测试，采用矩阵标定方法进行载荷测试.根据CAE应力仿真结果确定应变贴片位置并利用CAE方法模拟试验矩阵标定过程，确定可行的试验矩阵标定方案；开展试验矩阵标定和路谱采集，得到试验标定矩阵和应变历程并计算零部件的载荷.以某款汽车后悬架拖曳臂标定为例阐述标定过程，并验证该方法可行.该方法能提升复杂零部件的载荷测试、动力学载荷分解和疲劳试验精度.
关键词：汽车； 零部件； 载荷测试； 矩阵标定； 拖曳臂标定； 应变贴片
中图分类号： U463
文献标志码： 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
近年来，疲劳仿真技术和室内台架试验技术取得显著进步，并在汽车产品开发过程中得到广泛应用.通常做法是利用Adams进行道路谱载荷分析[1]得到零部件连接处载荷谱，并利用此载荷谱进行疲劳仿真验证，同时也可进行零部件台架试验验证.[2]结果的可信度很大程度上取决于连接处载荷谱的准确性，所以能够准确测得零部件连接处的载荷谱尤为重要.
目前，对于结构规则且受力单一的简单零部件，如弹簧、稳定杆及一些二力杆结构部件，很容易得到力和应变的标定方程，且精度也比较稳定[3]；但对于结构较复杂，且几个方向载荷同时作用在结构部件上，应变由耦合在一起的载荷同时作用时，用常规的标定方法无法得到标定方程[4].此时可以考虑将载荷分解成2个或多个互相垂直的分量，且在结构上用多个应变进行标定，得到应变矩阵与互相垂直载荷分量的关系，从而完成标定过程.[5]在此过程中，由于结构形状和受力复杂，很难确定应变贴片位置和标定矩阵方案的可行性，导致在试验中标定失效而需重新标定，浪费大量的时间.为解决此问题，结合CAE仿真结果和矩阵标定的方法，在试验标定之前完成虚拟矩阵标定验证，然后进行试验标定，并通过六分力采集数据验证方法合理性，提高标定效率和准确性.[6]
1 矩阵标定理论
2 零部件受力测试方法
鉴于零部件结构形状和受载环境的复杂性，必须首先进行零部件的载荷环境分析[7]，确定受力情况，然后进行CAE应力分析以确定应变贴片位置及载荷标定测试，具体过程见图1.
1）贴片位置确定.选取应变响应较大、与非测试载荷不耦合且试验中可贴片的位置点.[8]为保证标定的准确性和成功率（测试中经常会出现应变贴片信号异常），选取的应变贴片数量要大于所测载荷的数量.
2）虚拟矩阵标定和方案验证.通过软件中的虚拟应变贴片功能，模拟试验标定过程，确定矩阵标定方案.[9]通过相近车型的连接点多轴载荷历程，验证矩阵标定方案的合理性；也可以通过设定与标定载荷成特定角度的载荷，验证矩阵标定方案的合理性.合理性主要通过虚拟标定得到的载荷历程与加载载荷历程的比较，二者基本重合则满足测试要求.
3）试验矩阵标定和方案验证.在实验室进行实际结构标定，求得标定矩阵.加载有一定角度的载荷，通过该载荷作用下的应变值和标定矩阵反求标定载荷.对比标定载荷与理论载荷的差异，验证矩阵标定方案的合理性，判断是否满足测试要求.
4）整车路谱采集.试验矩阵标定验证合理可行后，即可开展道路谱采集应变信号[10]，结合试验标定矩阵反求标定载荷.在采集过程中应及时观察应变贴片状态，避免因贴片损坏而重新标定，浪费大量时间和成本.可以增加应变贴片数量，确保获取所需最少应变数量不减少.
3 工程实例
基于某车型多连杆悬架的后拖曳臂结构，阐述整个标定过程.该拖曳臂一端固定于转向节上，另一端为衬套连接，且衬套扭转刚度较弱，见图2.通过对多连杆悬架的简单动力学仿真受力分析可知：该拖曳臂结构主要承受x方向载荷Fx，其次是z和y向载荷Fz和Fy.为简化标定，选取Fx，Fz和Fy等3个平动载荷进行载荷标定测试.
3.1 确定贴片位置
约束拖曳臂与转向节连接点，在衬套连接点分别加载6个方向载荷.选取对
Fx，Fz和Fy响应大，而对3个方向的扭矩Tx，Ty和Tz响应小的区域进行贴片.最终选取贴片点1#，2#和3#，见图3.
3.2 虚拟矩阵标定及方案验证
通过3个应变贴片标定Fx，Fy和Fz，写成矩阵形式即F3×1=A3×3E3×1.在有限元模型中的约束点约束6个方向自由度，虚拟标定时的加载工况见表1，3个方向分别加载1 000 N力值（可根据实际情况选取）.
施加与标定载荷成角度的载荷，验证矩阵标定方案，即采用整车坐标系，在XZ平面距X轴30°方向应用液压缸加载3 000 N载荷（见图6），加载间隔为500 N，加载顺序为500，1 000，1 500，2 000，2 500和3 000 N.通过将标定结果与理论值进行对比，考察标定矩阵的合理性，见表2.由对比结果可知：标定矩阵较为合理、精度较高，可以应用到整车路谱采集过程中.
3.4 路谱采集
通过路谱采集得到3个应变片的应变历程，见图7.根据试验标定矩阵和应变历程，求得3个方向载荷Fx，Fz和Fy，见图8.
3.5 标定结果的合理性判断
对结构进行受力分析，见图9.当轮心受到x方
向载荷时，传递到P5点的力在理论上会有一定损失，而P2，P3和P4主要承受整车y方向载荷，x方向上近似为自由无约束状态，所以可以认为Fx，w与Fx，b趋势基本保持一致.为验证标定的Fx，b的合理性，采集过程中特别搭载六分力仪，因为六分力为实测值，精度较高，可以将标定载荷与轮心Fx，w方向实测载荷进行对比.
2条曲线趋势基本保持一致，但2条曲线的峰值有一定差别，主要由轮心的加速度及P2，P3和P4的x方向载荷引起，见图11.2条曲线相差最大值约为1 000 N，但整体趋势保持一致，可以认为x方向载荷相对较合理，其他方向载荷因没有对应的监测载荷，所以没有对比，但综合本文中的虚拟验证、标定过程中的验证结果可以认为本次矩阵标定合理.
4 结束语
阐述一种针对结构形状和受载复杂的零部件的载荷测试方法.通过CAE虚拟仿真模拟整个试验标
定测试过程，首先虚拟验证标定方案的合理性，然后应用到实际试验过程，用仿真标定指导试验标定，有效地提高载荷测试精度和效率.该方法使用的前提结构没有产生塑性变形并且忽略振动响应的影响.该方法对于动力学载荷分解和零部件疲劳试验精度提升均有重要意义.
参考文献：
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（编辑 于杰）
