基于CAE仿真和矩陣標定的汽車零部件載荷測試方法

程凱+孟凡亮+張關良+吳澤勛

摘要：針對結構形狀及受載復雜的汽車零部件的載荷測試，采用矩陣標定方法進行載荷測試.根據CAE應力仿真結果確定應變貼片位置并利用CAE方法模擬試驗矩陣標定過程，確定可行的試驗矩陣標定方案；開展試驗矩陣標定和路譜采集，得到試驗標定矩陣和應變歷程并計算零部件的載荷.以某款汽車后懸架拖曳臂標定為例闡述標定過程，并驗證該方法可行.該方法能提升復雜零部件的載荷測試、動力學載荷分解和疲勞試驗精度.

關鍵詞：汽車； 零部件； 載荷測試； 矩陣標定； 拖曳臂標定； 應變貼片

中圖分類號： U463

文獻標志碼： 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

近年來，疲勞仿真技術和室內臺架試驗技術取得顯著進步，并在汽車產品開發過程中得到廣泛應用.通常做法是利用Adams進行道路譜載荷分析[1]得到零部件連接處載荷譜，并利用此載荷譜進行疲勞仿真驗證，同時也可進行零部件臺架試驗驗證.[2]結果的可信度很大程度上取決于連接處載荷譜的準確性，所以能夠準確測得零部件連接處的載荷譜尤為重要.

目前，對于結構規則且受力單一的簡單零部件，如彈簧、穩定桿及一些二力桿結構部件，很容易得到力和應變的標定方程，且精度也比較穩定[3]；但對于結構較復雜，且幾個方向載荷同時作用在結構部件上，應變由耦合在一起的載荷同時作用時，用常規的標定方法無法得到標定方程[4].此時可以考慮將載荷分解成2個或多個互相垂直的分量，且在結構上用多個應變進行標定，得到應變矩陣與互相垂直載荷分量的關系，從而完成標定過程.[5]在此過程中，由于結構形狀和受力復雜，很難確定應變貼片位置和標定矩陣方案的可行性，導致在試驗中標定失效而需重新標定，浪費大量的時間.為解決此問題，結合CAE仿真結果和矩陣標定的方法，在試驗標定之前完成虛擬矩陣標定驗證，然后進行試驗標定，并通過六分力采集數據驗證方法合理性，提高標定效率和準確性.[6]

1 矩陣標定理論

2 零部件受力測試方法

鑒于零部件結構形狀和受載環境的復雜性，必須首先進行零部件的載荷環境分析[7]，確定受力情況，然后進行CAE應力分析以確定應變貼片位置及載荷標定測試，具體過程見圖1.

1）貼片位置確定.選取應變響應較大、與非測試載荷不耦合且試驗中可貼片的位置點.[8]為保證標定的準確性和成功率（測試中經常會出現應變貼片信號異常），選取的應變貼片數量要大于所測載荷的數量.

2）虛擬矩陣標定和方案驗證.通過軟件中的虛擬應變貼片功能，模擬試驗標定過程，確定矩陣標定方案.[9]通過相近車型的連接點多軸載荷歷程，驗證矩陣標定方案的合理性；也可以通過設定與標定載荷成特定角度的載荷，驗證矩陣標定方案的合理性.合理性主要通過虛擬標定得到的載荷歷程與加載載荷歷程的比較，二者基本重合則滿足測試要求.

3）試驗矩陣標定和方案驗證.在實驗室進行實際結構標定，求得標定矩陣.加載有一定角度的載荷，通過該載荷作用下的應變值和標定矩陣反求標定載荷.對比標定載荷與理論載荷的差異，驗證矩陣標定方案的合理性，判斷是否滿足測試要求.

4）整車路譜采集.試驗矩陣標定驗證合理可行后，即可開展道路譜采集應變信號[10]，結合試驗標定矩陣反求標定載荷.在采集過程中應及時觀察應變貼片狀態，避免因貼片損壞而重新標定，浪費大量時間和成本.可以增加應變貼片數量，確保獲取所需最少應變數量不減少.

3 工程實例

基于某車型多連桿懸架的后拖曳臂結構，闡述整個標定過程.該拖曳臂一端固定于轉向節上，另一端為襯套連接，且襯套扭轉剛度較弱，見圖2.通過對多連桿懸架的簡單動力學仿真受力分析可知：該拖曳臂結構主要承受x方向載荷Fx，其次是z和y向載荷Fz和Fy.為簡化標定，選取Fx，Fz和Fy等3個平動載荷進行載荷標定測試.

3.1 確定貼片位置

約束拖曳臂與轉向節連接點，在襯套連接點分別加載6個方向載荷.選取對

Fx，Fz和Fy響應大，而對3個方向的扭矩Tx，Ty和Tz響應小的區域進行貼片.最終選取貼片點1#，2#和3#，見圖3.

3.2 虛擬矩陣標定及方案驗證

通過3個應變貼片標定Fx，Fy和Fz，寫成矩陣形式即F3×1=A3×3E3×1.在有限元模型中的約束點約束6個方向自由度，虛擬標定時的加載工況見表1，3個方向分別加載1 000 N力值（可根據實際情況選取）.

施加與標定載荷成角度的載荷，驗證矩陣標定方案，即采用整車坐標系，在XZ平面距X軸30°方向應用液壓缸加載3 000 N載荷（見圖6），加載間隔為500 N，加載順序為500，1 000，1 500，2 000，2 500和3 000 N.通過將標定結果與理論值進行對比，考察標定矩陣的合理性，見表2.由對比結果可知：標定矩陣較為合理、精度較高，可以應用到整車路譜采集過程中.

3.4 路譜采集

通過路譜采集得到3個應變片的應變歷程，見圖7.根據試驗標定矩陣和應變歷程，求得3個方向載荷Fx，Fz和Fy，見圖8.

3.5 標定結果的合理性判斷

對結構進行受力分析，見圖9.當輪心受到x方

向載荷時，傳遞到P5點的力在理論上會有一定損失，而P2，P3和P4主要承受整車y方向載荷，x方向上近似為自由無約束狀態，所以可以認為Fx，w與Fx，b趨勢基本保持一致.為驗證標定的Fx，b的合理性，采集過程中特別搭載六分力儀，因為六分力為實測值，精度較高，可以將標定載荷與輪心Fx，w方向實測載荷進行對比.

2條曲線趨勢基本保持一致，但2條曲線的峰值有一定差別，主要由輪心的加速度及P2，P3和P4的x方向載荷引起，見圖11.2條曲線相差最大值約為1 000 N，但整體趨勢保持一致，可以認為x方向載荷相對較合理，其他方向載荷因沒有對應的監測載荷，所以沒有對比，但綜合本文中的虛擬驗證、標定過程中的驗證結果可以認為本次矩陣標定合理.

4 結束語

闡述一種針對結構形狀和受載復雜的零部件的載荷測試方法.通過CAE虛擬仿真模擬整個試驗標

定測試過程，首先虛擬驗證標定方案的合理性，然后應用到實際試驗過程，用仿真標定指導試驗標定，有效地提高載荷測試精度和效率.該方法使用的前提結構沒有產生塑性變形并且忽略振動響應的影響.該方法對于動力學載荷分解和零部件疲勞試驗精度提升均有重要意義.

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（編輯 于杰）