２０１１年第５期 农业装备与车辆工程 Ｎｏ．５ ２０１ｌ （总第２３８期） ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ （Ｔｏｔａｌｌｙ ２３８） 【车辆工程技术】 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１１．０５．００３ 承载式车身强度试验分析研究 邝坤阳 （合肥Ｔ业大学，机械与汽车工程学院，安徽合肥，２３０００９） 摘要：承载式车身强度试验是针对承载式车身轻量化的需要．在有限分析的基础上，对原车进行静态和动态强 度试验。较详细介绍了试验方法，并对试验结果进行统计分析和频谱分析。在强度校核采用３ 原则．充分刻画 动态应变的随机性。试验和分析结果是对有限元分析结果的有效校核，同时为车身轻量化提供参考和依据：介 绍的试验和数据处理方法对相关研究具有指导意义 关键词：承载式车身；强度试验：统计分析；频域分析 中图分类号：Ｕ４６３．８２＊２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—３ １４２（２０１ １）０５—０００８—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｃａｒ－ｂｏｄｙ Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｂｙ Ｔｅｓｔ Ｋｕａｎｇ Ｋｕｎｙａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｌｉｇｈｔｅｎ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｒ－ｂｏｄｙ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｔｒａｉｎ－ｓｔｒｅｓｓ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｃａｒ，ｖｅｒｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｆｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｈｅｎ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ｃａｔ－ｂｏｄｙ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，３￣ｒｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ，ｄｅｐｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍｉｃｉｔｙ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔｒａｉｎ ａｄｅｑｕａｔｅｌｙ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｖｉｄｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｉｓ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｏ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｒ－ｂｏｄｙ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｔｅｓｔ；ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ａｎａ｝ｙｓｉｓ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏ引言 ３８１８型静态应变仪和ＤＨ一５９３７型动态应变仪。 随着对节能和环保认识的加深，节能和环保 应变仪与电脑相连，对试验结果进行记录。动态试 已成为汽车工业发展的一个大的趋势和发展方 验中采用全程纪录，分路段标记的方法。在数据采 向。２０世纪９Ｏ年代以来，为了使汽车达到高效、 集中，进行低通滤波。采样频率为５００Ｈｚ，试验结 节能、减重，研究人员一直在探寻汽车轻量化之 果满意。 路。为了达到轻量化的目的，在汽车设计和改进过 １．２试验内容 程中，常需对车身和车架进行结构强度分析及相 试验针对有限元分析和经验上的薄弱点进行 应的试验验证【”。本文针对某客车轻量化的需要， 测试。采用静态试验和动态试验相结合的方法。动 在有限元分析的基础上，对原车进行静态和动态 态试验进行了凹坑路面、扭曲路路面、搓板路面等 强度试验。对试验结果进行分析研究，为其承载式 各种路面的测试。应变片的布置对试验结果至关 车轻量化提供参考。 重要。因此，选择贴片点时，遵循以下原则：（１）有 限元分析应力较大和结构薄弱的点 ；（２）实践中 １承载式车身强度试验 表明可能存在的应力集中点；（３）实施布点时工艺 通过对某客车原车进行整车静态和动态应强 度性能测试，全面掌握其强度性能。 １．１ 数据采集及相关试验仪器 静态和动态数据采集系统分别采用ＤＨ一 收藕日期：２０１ｌ－０３—１Ｉ 作者简介：邝坤阳（１９８６一），男，合肥工业大学硕士生，研究方向 车辆安全与诊断技术。 图１第９截面梁的应变片布置图 一８— 邝坤阳：承载武车身强度试验分析研究 ２０１１年５月 上可行的点。整个车身共布置１１３个应变片。第９ 截面梁贴片点见图１。 ２试验数据处理和分析 ２．１ 试验数据初步处理 数据初步处理中，通过广义胡克定律 （Ｆ 应力，Ｅ材料弹性模量， 材料的应变），计算出各点 的应力。在强度校核中，将各测点应力最大值与材 料的许用应力进行比较．初步判断强度设计是否 满足要求。另外，与有限元分析结果进行比较，对 有限元分析的可行性进行校核。部分的测点应力 试验值与计算值见表１。试验结果和分析结果吻 合情况良好，说明有限元模型正确。 ２．２试验数据的统计分析和频谱分析 在试验数据的统计分析和频谱分析中，采用 ＤＨＳＴＩ２０００统计分析系统和ＤＨＳＡＳ２０００频谱分 析系统，对现场采集的数据进行回放分析处理。 ２．２．１试验数据的统计分析 运用ＤＨＳＴＩ＇２０００统计分析系统对随机信号 进行概率密度函数、累积密度描述。概率密度函数 和累积密度不仅能反映随机变量可能取什么值， 而且描述了以多大概率取这些值，充分地刻画了 随机变量的概率性质Ｉ３］。图２一图４和图５～图７分 别为ｌ测点概率密度函数和累计密度函数。概率 密度函数和累计密度函数图清楚表明各种路面作 用产生应力分布概率。不同应力对应不同概率。这 是进行统计分析的基础。 应力／ＭＰａ 图２路况１（扭曲路） ＼ 羞 Ｉ皿 ０ 。《－２５－２４－２３－２２－２１－２０－１９－１８－１７－１６ 应力／ＭＰａ ３８—３６－３４－３２－３ｏ－２８－２６—２４—之２－２ｏ－１８ 应力／ＭＰａ 应力／ＭＰａ 图７路况３（凹坑） 一９一 ２０１１年第５期 农业装备与车辆工程 ２．２．２失效区间分析 由于路面作用的随机特性，车身测点应力一 般服从正态分布Ｉ４１。对各路段应力进行处理，通过 矩估计法获得应力的均值和平均离差，按照正态 分布，求得应力概率密度函数和概率分布函数，对 随机信号进行准确的数学描述。部分点的均值和 平均离差见表２。按照３ 原则嘲（应力在３盯范围 之外的失效概率仅为２．６２％），分析计算各点应力 ；毫ｊ ｝ 咖 Ｏ．ｏ０ …２４．３９ ～．｛ ｝ 图１０路况３ｆ凹坑】 大于３仃的区间（见表２），从而可对车身强度做出 准确判断。 ２．２．３试验数据的频谱分析 特性进行较精确的判断，为进一步改进设计提供 可靠参考。 ２．３承载式车身强度分析 试验结果分析表明，整车应变较大的点主要 在前门和中门、第８和第９截面梁、前悬纵梁和后 随机信号常采用频谱分析方法。如图８～图１０ 所示。此承载式车身低频作用产生的应变大，这与 理论分析和实践相符合。如图所示，应变较大的 点，频率很少大于２０Ｈｚ。另外，此分析结果可以与 模态分析结果进行相互印证，对承载式车身模态 悬纵梁及车身侧围处。其中应力最大的９９点在 ３盯处应力为６１．５ＭＰａ。试验车车身采用１６Ｍｎ钢， 其静态许用应力 ＝２１ １～２３８ＭＰａ，考虑动载和疲 劳载荷的作用（动载安全系数取２．５，疲劳安全系 数取１．６），动态许用应力［ｏｒａｌ＝５２．７～５９．５ ＭＰａ。按 照３盯原则，此承载式车身强度在极限状况下可能 存在危险。但车身其他各处强度过高，在３盯处应 力很少大于３０ＭＰａ，强度设计偏于保守，且强度分 布不均，有待进一步优化改进。 图８路况１（扭曲路面） ３结论 １）试验结果表明某客车承载式车身强度设计 偏于保守，轻量化空间较大。在轻量化过程中，在 满足安全的前提下，可以减小强度较高构件的强 度，实现等强度设计以适应节能和环保需要。 ２）本次试验数据处理采用统计分析和频谱分 析的方法，能准确判断车身应变和强度性能．为轻 ２４．３９ 量化提供了可靠参考。 （下转第２４页） 图９路况２（搓板路面） 一１０— ２０１１年第５期 农业装备与车辆工程 ＩＭＰａ。 ５小结 从以上分析结果可以看出：前车架结构上半 部变形与应力较大，下半部变形与应力较小，前车 架翼箱上部外侧变形较大，铰销处变形较大；两侧 翼箱与后背板交接处应力较大：两翼箱上下部的 加强板与后背板连接处的应力较大，后背板中间 部位和上部应力较大；下铰接座约束部位的应力 较大。上半部变形与应力较大，下半部变形与应力 较小的主要原因是：作用于车架上半部的翻斗油 缸力、动臂支撑力及动臂油缸力比作用于车架下 半部的力都要大很多，因而对上半部分的影响较 大。表３列出了三种工况时前车架最大位移与应 力部位。 参考文献 ［１］黄国权．有限元法基础及ＡＮＳＹＳ应用［Ｍ］．北京：机械工业出 版社．２００４． ［２］王鹰宇，姚进，戍善宝．基于ＡＮＳＹＳ环境的参数化有限元建模 ［Ｊ］＿机械，２００３，３０（４） １２～１４． ［３］胡海峰．基于实体的有限元建模技术［Ｊ］＿机械，２００３，３０（５）： ７８～８Ｏ． ［４］杨国静．装载机工作装置有限元力学模型的简化［Ｊ］．矿山机 械，１９９０，１：３１～３４． ［５］石沛林，徐冠林，张立荣．ＺＬ５０型装载机铲斗的应力分析与结 构优化设计［Ｊ］．工程机械，２００８，（６）． ［６］杨小兰，刘极峰．基于ＡＮＳＹＳ的有限元法网格划分浅析［Ｊ］．煤 矿机械．２００５．（１）． （上接第１０页） ３）试验中未能进行车速对应力影响的试验， 进设计『Ｊ】．汽车工程，２００７，２９（１）：８７—９２． 在以后的试验中加以改进，分析更全面。 参考文献 川１张代胜，张林涛，谭继锦，等．基于刚度灵敏度分析的客车车身轻 量化研究【Ｊ】．汽车工程，２００８，３０（８）：７１ ８—７２０． ［３】马广发．关于汽车平顺性随机数据处理中几个问题的探讨．汽车 技术．１９９６．Ｎｏ．３：２７—３１． 【４】刘万峰，叶俊彦．汽车车架动态应变响应特性的概率统计分析． 力学与实践．２０００，Ｖｏ１２２。ＮＯ．１：２１—２２． 【５］高玉华，李华香，张代胜半承栽式客车车身骨架有限元建模和 分析【Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００７，３０（４）：６４９３： ４９７． 【２】石琴，张代胜，谷叶水，等．大客车车身骨架结构强度分析及其改 一２４一
