简单分析车架总成后横梁应力测试

1.试验目的

针对改装后的车架总成，测试后横梁在设计最大负荷作用下的应力分布及最大应力值，并与有限元计算结果比较，验证其强度是否达到设计值。

2.引用标准

GBT 6792-2009 客车骨架应力和形变测量方法
GB T 12534-90汽车道路试验方法通则

3.试验条件及试验车辆的准备

3.1试验场地与环境

a. 试验用车架总成按设计图纸按1：1比例制造；
b. 试验场地为室内，常温。

3.2 试验仪表、器具

a. 电阻应变仪，测量范围0~30000me，分辨率1me；
b. 数据采集器，A/D 转换率200kHz；A/D分辨率16位；
c. 电阻应变花，阻值120Ù；屏蔽电缆
d. 钢尺，卡尺，秒表。

3.3 其他车辆试验条件的准备应符合GB/T 12534 的有关规定。

4.应力测量方法

4.1 确定测点布置方案

选择车架后横梁总成车钩孔位置附近、后横梁总成的内、外沿平整处。按结构受力情况，根据有限元分析结果，确定最大应变出现的区域，各测点均采用电阻应变花。

4.2 确定应变片栅长与种类

根据应力分布梯度，选择合适的应变片栅长与种类。

4.3 应变片粘贴与引线焊接

对测量区域进行清洗后，用手砂轮或砂纸打磨表面，去掉铁锈、油漆和污垢，达到blob.png左右，按布置方案用记号笔画出标记线，用四位惠斯顿电桥测量各应变片的电阻值，要求其偏差在±0.5欧姆以内，然后用胶水进行粘贴。

粘贴完毕后，焊接应变片引线。焊接之前应在靠近应变片位置处粘贴接线端子，焊接引线时要注意与基体的绝缘，引出电缆要注意屏蔽。焊接完成后要对应变片、接线端子一起采用密封胶做防潮和绝缘处理。



4.4 应变仪的连接与调平

应变花的每个应变片采用单臂方式接入电阻应变仪，每一支路都单独调平，注意接入与所用应变花相同阻值的温度补偿电阻。

5.车架装卡与载荷施加

车架装卡利用试验场地提供的设备，安装方法依照使用说明书进行。
载荷施加在牵引钩上，最大载荷30吨。

6.试验程序

a. 将车架总成装卡在实验台架上，处理应变片粘贴处表面，在设定的位置粘贴应变花，注意粘贴角度要准确，避免倾斜；粘贴接线端子、焊接引线和引出线，密封与绝缘处理。
b. 在应变仪上正确“接桥”，接通应变仪电源，调节电桥平衡。
c. 应变仪预热一段时间后，再次调节电桥平衡；施加载荷、记录数据，有效试验的次数不少于3次。

6.1 ANSYS仿真及应变片位置确定

基于车架需满足20t的拉力作用，车架需具有足够的强度要求，现利用有限元软件ANSYS进行强度分析，在ANSYS分析中分别分析了加载力为15t、20t和30t的三种加载状态，分析中拉力加载在钩子简化后的前端面上，根据现场实验条件在左、右纵梁压型上各开的孔，并在这12个孔内壁加上全约束。分析得出的应力场分布如图1和图2所示，ANSYS分析中全部节点应力在附表3中。



加载力为20t时的车架变形图和70倍变形放图如图3和图4所示



根据应力场的分布情况，将应变花跌贴于车架的应力较大区域，具体测点如图5，利用高速程控静态应变数据采集分析系统进行测试。待数据采集整理后，各测点的应力值，见附表1和表2（各测点贴片位置见附图）。



6.2 实验过程

6.2.1 实验加载记录流程

实验过程中每个车架加载流程如下（单位t）：
第一阶段：5-10-5-0
第二阶段：5-10-15-10-5-0
第三阶段：5-10-15-18-20-18-15-10-5-0
第四阶段：5-10-15-18-20-22-24-25-27-29-30

第四阶段加载过程预定为看现场加载情况来定加载到多少吨位，根据实际现场情况最后两次拉伸均拉到最大吨位30t。

6.2.2 实验数据记录

实验中对每次加载吨位和加载时间都有详细记录，为了让数据稳定各加载阶段中每个吨位的应变仪数据都记录了三次。

7.实验数据处理与分析

7.1数据处理

通过ANSYS仿真和实际测试后，应力场的分布情况基本相同。在ANSYS仿真中，建立的模型尺寸，材料属性及加载位置和约束情况，均与实际测试中的工况基本相同，仿真具有一定的真参考度和可靠性。由于应变花的贴片厚度及车架经过较大的拉力后，个别应变花可能破坏，采集后的应力值较大不予考虑。以下分析中的仿真值与测量值均为车架表面应力，仿真值每个测点取了应力平均值、应力最大值和应力最小值，正值为拉应力，负值代表所受应力为压应力，由于应变花范围较大而仿真分析中取值节点较小，为了使仿真结果更具可靠性，这里所取的仿真值均为测点附近取多值后所得的平均值。测量值为根据实验测得应变而求出的主应力值中的较大值
，其求解方法如下：


   据平面应变分析理论知，若某点任意三个方向的线应变知道，就能计算出该点的主应变和主方向，从而计算出主应力。因此测量某点的主应力和主方向时，必须在测点布置三枚应变片。通常将三个敏感栅粘贴在同一基底上，称为应变花。常用的应变花有两种：1.三敏感栅轴线互成120°角，称等角应变花。2.两敏感栅轴线互相垂直，另一敏感栅轴线在它们的分角线上，称为直角应变花。该实验中应用的是等角应变花。

由应变分析和应力分析理论知，测得、和后，可按下列公式计算主应力：



车架受力情况主要集中在加载位置周边，重点分析测点（1，4，5，8，11，12），如表3所示(测量值1----第一车架经过25t拉力后，测量值2---第二车架未拉)：

其余测点分析如表4所示(测量值1----第一车架经过25t拉力后，测量值2---第二车架未拉)，其中19测点测量1的值由于应变片未知原因未能测得：




7.2最大畸变能准则下的应力

实验测得应力值为车架表面应力，更能反映车架真实受力情况的是Equivalent stress，现将所有测点Equivalent stress统计如表5：


7.3误差分析
对于应力值较小的测点，物理实验过程中加载拉力的钢丝绳较粗，受力方向稍微不同就会导致两次测量值和仿真值差距较大，仿真时受拉实验时也可能受压，故只有受力较大的测点其误差范围的参考价值才较大，下表6中为应力值较大的重要测点误差范围，其中误差1为测量值1的误差。误差2为测量值2的误差，表中误差数值为误差百分比，正值代表测量值大于仿真值，负值代表测量值小于仿真值。

由以上分析可以看出大部分测量值和仿真值都较为吻合，也有部分测点差距较大，部分测点差距较大的原因分析如下：

1.车架模型在有限元分析时经过一定的简化，主要体现在螺栓和铆钉全部简化删除；
2.仿真约束不能完全和测试时约束相同；
3.仿真时拉力加载为集中载荷，该载荷垂直于加载平面，受力时车架会发生变化，而受力方向会随着加载平面方向的变化而变化，测试时受力方向始终向着钢丝绳拉直的水平方向，故仿真和测试的受力方向会有微小差异；
4.贴应变花时502胶水的厚度对测试精度有一定影响；
5.由于千分表和录像机使用时会产生磁场，而磁场会对应变片电阻产生影响进而影响部分测点测试精度。
以上测点中第一次测量用车架和第二次测量用车架原始状态不同（第一次测量用车架已经过25t拉力，第二次测量用车架未经任何拉伸），且实验过中应变片贴片位置有微小差异，实验中受拉力的大小（拉力精确度0.1t）和方向也会有微小不同，由于这些不确定因素的存在，测点9、15和16的两次测量表现出了拉压不同的现象。

8.实验结果
车架经过ANSYS仿真和现场实验后，车架能够经受住20t的拉力作用，达到了设计强度。并且在最大30t的拉力作用下，车架无明显变形，只是部分区域的应力值较大，达到了强度极限。