模塊化組合策略在白車身剛度試驗中的應用

梁雪梅，陳軍

(1.重慶電子工程職業學院，重慶401331;2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶400039)

0 引言

在進行任何試驗項目之前都應進行合理、經濟、系統的策劃和設計，對于白車身剛度性能驗證試驗這種較為復雜的系統試驗更為如此。因此，在進行策劃和設計試驗時采取合適的策略顯得尤為重要。文中就模塊化組合策略在白車身剛度試驗中的應用進行了探討。

1 模塊化組合策略

模塊化是指解決一個復雜問題時把系統劃分成若干模塊的過程，每個模塊完成一個特定的子功能。模塊化是一種在處理復雜系統時將其分解為更好的可管理模塊的方式。模塊化組合策略是指將所有的模塊按某種方法組合起來，使其成為一個整體，以完成整個系統所要求的功能。其特點是:(1)分級啟動功能。(2)能節約資源，提高效率。

2 白車身剛度試驗設計

2.1 試驗設計模塊化組合策略

剛度是車身性能驗證的一個重要項目，而白車身剛度試驗設計是實現這一驗證項目的最基礎最重要的一個環節。在試驗設計過程中應采取模塊化組合策略［1］，即試驗場地模塊和試驗目的模塊的組合策略 (見圖1)。其中試驗場地模塊的內容主要是試驗手段的選擇，試驗目的模塊的內容主要是測試項目的確定。

2.2 白車身剛度試驗設計要點

2.2.1 試驗目的模塊化設計

試驗目的模塊可分為整體剛度性能［2］驗證和局部剛度性能［2］驗證兩個子模塊，其中整體剛度包括彎曲剛度、扭轉剛度和開口部分剛度。文中主要討論整體剛度性能驗證子模塊。

汽車承載乘員或貨物的質量，車身會受到彎曲載荷 (見圖2和圖3)，在行駛過程中由于路面不平度的影響，車身還會受到扭轉載荷 (見圖4)。因此，白車身應進行彎曲剛度和扭轉剛度性能驗證，測試項目應包括白車身整體彎曲和扭轉剛度［3］的測定、開口部分的變形［3］測定以及鎖位置的位移［3］測定。根據實際情況可不進行尾部彎曲剛度測定 (尾部彎曲剛度主要針對于三廂式轎車而言)。

2.2.2 試驗場地模塊化設計

試驗場地模塊可以分為測試地點的選擇、測試設備和儀器的選擇、工裝夾具的設計制作、測試人員組織4個子模塊。

測試地點的選擇。應選擇在室內臺架上進行，須有較為寬闊的空間，能夠布置下白車身及其固定裝置、加載設備以及測量儀器等。

測試設備和儀器的選擇。首先是加載設備的選擇，加載設備應能滿足量程、加載穩定連續、易于控制和操作等要求，可選擇諸如電子控制液壓伺服系統、絲桿加載裝置、千斤頂加載裝置等，對于彎曲剛度試驗可采用砝碼或沙袋、水袋進行加載。其次是測量儀器的選擇，應選擇精度較高的力傳感器和位移傳感器。對于力傳感器，可選擇合適量程的靜態拉壓力傳感器以保證足夠的測量精確度;對于位移傳感器，可選擇合適量程的LVDT位移傳感器并采用相應的計算機數據采集系統進行位移數據采集，也可以采用普通的百分表來進行測量。采用LVDT位移傳感器的優點在于一次性采集、實時性好、測量誤差小，但成本較高。采用百分表的優點在于成本低，但須人工讀數，如果測點較多，則所需人員較多且誤差較大。因此最好采用LVDT位移傳感器。

工裝夾具的設計制作。對工裝夾具的首要要求是應具有足夠的剛度和強度，因此須在充分考慮通用性和經濟性的基礎上進行合理設計、選材和制作。對于位移測試儀器固定裝置首選磁力座，易于裝夾。

測試人員的組織。應選擇足夠數量的經驗豐富、具有團隊合作精神的技術人員和試驗工人，以保證按照既定程序正確高效高質量地進行臺架安裝、調試以及試驗。

2.2.3 試驗目的模塊和試驗場地模塊的組合

首先進行試驗目的模塊化設計，其次進行試驗場地模塊化設計，然后進行兩個模塊的組合。組合過程中須協調考慮目的和手段之間的關系，應在確定目的的基礎上選擇可操作性的手段，并在可選擇的手段當中挑選最優的方案以降低試驗的不確定性 (包括加載準確性和便利性、測量誤差、臺架搭建難易程度等因素)。同時，在選擇試驗手段時還應適當考慮成本因素。模塊組合的具體表達形式為擬定試驗大綱。

3 白車身剛度試驗

圖5為采用模塊化組合策略進行試驗設計并開展的白車身整體剛度試驗［4］。試驗樣件為未裝備懸架等裝置的某兩廂式轎車白車身。試驗大綱主要規定了試驗目的、測試項目、試驗場地和設備及儀器、加載方式、測量方式、試驗樣件的準備、測點布置、試驗規程、試驗結果表達及評價［5］等內容。試驗目的為驗證白車身整體剛度性能。測試項目為彎曲剛度和扭轉剛度(根據課題實際需要，不含開口部分剛度)。有了試驗大綱的指導，試驗過程中可以盡量避免偶然因素造成的失誤。該試驗大綱的組織形式是模塊化組合策略應用的具體體現。其中試驗目的為一個模塊，試驗場地和設備及儀器為一個模塊。大綱具體規定了試驗地點為具有足夠大帶T型槽的平板的室內場地;規定了進行整體彎曲剛度和扭轉剛度的測定，從而確定了試驗方案;規定了具有一定精度的測試儀器和加載設備或裝置;通過調查研究，規定了工裝夾具的設計原則為非全約束式;同時規定了具有足夠實踐技能和技術水平的試驗人員。

彎曲剛度試驗采用經過標定的沙袋模擬乘員質量進行加載，根據實際需要，采用5級漸變載荷方式加載 (0→75 kg→150 kg→225 kg→300 kg→225 kg→150 kg→75 kg→0)。測點為24個，分布于地板縱梁和門檻梁，采用LVDT位移傳感器進行測量。白車身固定點位置為前、后懸架安裝點。

扭轉剛度試驗采用千斤頂進行加載，利用前部鉸接式夾具實現力偶矩，優點在于結構簡單，加載穩定準確。采用4級漸變載荷方式分別按照順時針、逆時針加載 (0→500 N·m→1 000 N·m→1 500 N·m→2 000 N·m)。測點為24個，分布于地板縱梁和門檻梁，采用LVDT位移傳感器進行測量。白車身固定點位置為后懸架安裝點。

該試驗通過模塊化組合策略的應用，試驗時間由以往的一個月縮短為15天，效率提高了一倍。同時由于準備充分、設備儀器以及人員及時到位，試驗取得了令人滿意的結果。通過將試驗結果與該白車身CAE仿真結果對比，剛度結果誤差較小，效果良好。圖6和圖7分別為彎曲剛度和扭轉剛度分析位移云圖。這與試驗采集到的相對應點的位移變化趨勢高度一致。試驗本身也重復進行了3次，驗證了試驗結果的重復性，結果有效且準確，誤差在合理范圍之內。表1為白車身剛度試驗結果與CAE仿真結果的比較。

表1 白車身剛度試驗結果與CAE仿真結果的比較

4 結論

通過合理、經濟和系統的策劃試驗，能切實保證按照既定程序正確、高效、高質量地完成試驗并得到準確的試驗結果。通過實際的驗證試驗工作，證明了模塊化組合策略能夠有效應用于白車身剛度試驗工作中。

【1】陳軍，向曉峰，艾紅霞，等.基于失效預防的乘用車車身驗證試驗規范開發策略研究［J］.汽車零部件，2011(5):48－51.

【2】黃金陵.汽車車身設計［M］.北京:機械工業出版社，2007.

【3】谷正氣.汽車車身現代技術［M］.北京:機械工業出版社，2009.

【4】《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊:試驗篇［M］.北京:人民交通出版社，2001.

【5】向曉峰，陳軍，魏麗霞，等.普通乘用車白車身彎曲剛度試驗方法的比較［C］//2012年中國汽車輕量化技術研討會論文集，2012.