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中文譯文 汽車復(fù)合材料懸架擺臂的實(shí)驗(yàn)分析 M.PINFOLD 和 G.CALVERT (University of Warwick / Rover Group Gaydon,UK ) 摘要：減輕汽車自重和簡(jiǎn)化零件能獲得應(yīng)用,羅孚公司開(kāi)始研究復(fù)合材料零件的設(shè)計(jì)與制造。在大規(guī)模的汽車工業(yè)中，從設(shè)計(jì)到制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中，較多的是針對(duì)鋼件,對(duì)于復(fù)合材料零件尚未有很好的研究。復(fù)合材料的基本研究方法已經(jīng)出現(xiàn)，其中最重要的是有限元技術(shù)，同樣可以通過(guò)對(duì)原型的光彈性分析和應(yīng)變測(cè)量模式及傳統(tǒng)應(yīng)變檢測(cè)來(lái)提高效果。這些少量的工作已經(jīng)可以把結(jié)果聯(lián)系起來(lái)，這些結(jié)果中包含了不同的測(cè)試方法，并且采用了基于實(shí)際結(jié)果的測(cè)試手段來(lái)加以比較。這篇文章闡述了一些關(guān)于汽車懸架臂的分析與測(cè)試。應(yīng)用三種不同的分析技術(shù)得到的結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行比較，并對(duì)它們的準(zhǔn)確性進(jìn)行了討論。 關(guān)鍵詞：汽車的懸架擺臂、應(yīng)力分析、有限元分析、光彈性分析、SPATE、應(yīng)變測(cè)量、模壓塑料板材 Sol和dewilde 1 闡述過(guò)復(fù)合材料已經(jīng)迅速地成為一種結(jié)構(gòu)材料。原因是復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高硬度，這些性質(zhì)可以降低結(jié)構(gòu)的重量。也許復(fù)合材料最重要的特征是它們的力學(xué)性質(zhì)可以“配置的”，以此來(lái)滿足特殊的要求。然而，約翰遜等2說(shuō)明了在復(fù)合材料在用于轎車和卡車之前，它的設(shè)計(jì)、分析和制造技術(shù)仍需要重點(diǎn)的開(kāi)發(fā)和成功的論證。 復(fù)合材料不得不在工程領(lǐng)域與鋼材相競(jìng)爭(zhēng)。在汽車工業(yè)中需要有相關(guān)的部門來(lái)轉(zhuǎn)換某些技術(shù)就像華威大學(xué)的先進(jìn)技術(shù)中心，該中心擁有材料學(xué)家、汽車工程師，他們致力于研究復(fù)合材料以此來(lái)替代像鋼這種傳統(tǒng)材料，這就要求汽車設(shè)計(jì)者需要充分掌握材料的強(qiáng)度和局限性。只有這樣他們才能在概念設(shè)計(jì)階段從眾多的可選方案中選擇其一。對(duì)于這些問(wèn)題需要汽車工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)、測(cè)試以及零部件的制造當(dāng)中掌握復(fù)合材料的性質(zhì)，及其多種分析方法。例如：有限元分析、SPATE和光彈性分析。這些分析方法在復(fù)合組合體的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用。 這樣少量的工作似乎完成了研究過(guò)程，但這些結(jié)果是否包括：通過(guò)各種分析方法找出相互見(jiàn)的關(guān)系或者通過(guò)測(cè)試實(shí)際的組合體得到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了研究用復(fù)合式組合體表示的汽車下懸架臂，采取了不同的分析方法，從而找出這些方法的適用范圍及其相互關(guān)系。這個(gè)復(fù)合組合體在現(xiàn)實(shí)受載情況下通過(guò)三種方法分析，而且實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中包含了應(yīng)變測(cè)量。 Anti-Roll Bar Mounting (防側(cè)傾穩(wěn)定桿連接) Ball Joint Housing (球鉸窩) Body Mounts (車身安裝連接) 設(shè)計(jì) 原先的鋼制下懸架臂由9塊組件焊接在一起的,然而重新設(shè)計(jì)的復(fù)合材料組件 如圖1.它是一個(gè)獨(dú)立的模壓零件,用來(lái)制造懸架臂的材料是模壓塑料板材材料它是聚酯樹(shù)脂粘合劑加上30%含量的不規(guī)則排列的短玻璃纖維,以及碳酸鈣填料。鋼制懸架臂質(zhì)量為2.53千克，然而重新設(shè)計(jì)的用模壓塑料板材材料制成的懸架臂，就算把襯套和球節(jié)的質(zhì)量加到一起總質(zhì)量也不過(guò)為1.5千克。組合懸架臂材料的性質(zhì)在這些分析中可以得出，測(cè)試在羅孚材料實(shí)驗(yàn)室已完成，得出如下的選擇：楊氏模量=10.5Gpa ，泊松比=0.26 ，密度=1.8×10-6 kg/mm-3. 實(shí)驗(yàn)技術(shù) 先前承擔(dān)實(shí)驗(yàn)分析的是一種實(shí)際的工程零件。當(dāng)采用模壓塑料板材時(shí)，最初的一些有效工作需要有足夠的技術(shù)條件來(lái)支撐。因此，平板、橫桿和圓盤由模壓塑料板材制成時(shí)，那么要在設(shè)計(jì)部件工作之前就要加載各種不同的條件來(lái)分析它們。 大部分有效的測(cè)試要通過(guò)應(yīng)變測(cè)量及其有限元分析。盡管模壓塑料板材不是一種均質(zhì)材料，它在生產(chǎn)工藝中由一些纖維定位，但為了分析這種材料我們要假設(shè)它是均質(zhì)材料。同樣，用模壓塑料板材制成的懸架臂已經(jīng)被離散化，主要的纖維分布在加強(qiáng)肋處，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的聯(lián)系會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)假設(shè)是可行的。 應(yīng)變測(cè)量 在著手做實(shí)驗(yàn)測(cè)試任務(wù)之前，復(fù)合組件是由它的橡膠安裝襯套安裝在一個(gè)相對(duì)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)上。由于很難考慮到各種條件在做實(shí)驗(yàn)時(shí)要假設(shè)處于最壞的情況下，最壞的情況是在加載“pot-hole制動(dòng)”時(shí)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是試圖模擬汽車以30mph的速度突然進(jìn)入此狀態(tài)，此時(shí)制動(dòng)器完全處于沖擊點(diǎn)上。這個(gè)時(shí)候的合力和橫向載荷的計(jì)算是以汽車的重量和速度來(lái)測(cè)算的。全部的pot-hole加載是不可能完全作用于零件的，還有由于pot-hole加載的應(yīng)用以及結(jié)果的換算，這會(huì)導(dǎo)致作用在同一方向上的載荷減少。在全部pot-hole制動(dòng)情況下，載荷作用在“x”方向?yàn)?4.2 KN，在“y”方向上是8.2 KN輕載荷時(shí)“x”方向是5.9KN,在“y”方向上是2.02KN 如圖1. 應(yīng)變儀由6個(gè)坐標(biāo)多片組合式應(yīng)變片和13個(gè)2.5mm長(zhǎng)的單極應(yīng)變片組成。要選擇合適的組件半徑，這樣才能測(cè)得最大的應(yīng)變值。應(yīng)變片放在球節(jié)附近，因?yàn)檫@個(gè)位置受到載荷，還要將應(yīng)變片放在車身安裝連接襯套的內(nèi)壁上，因?yàn)橹@個(gè)位置是聯(lián)接懸架臂與副車架的。其余的應(yīng)變片放在加強(qiáng)肋和防側(cè)傾穩(wěn)定桿連接安裝位置的附近。 SPATE分析 SPATE常用作確定零件的表面應(yīng)力，通過(guò)研究在周期性載荷條件下零件溫度的細(xì)小變化，而得出其所受的應(yīng)力值。SPATE設(shè)備包括：一個(gè)帶有掃描探頭的檢測(cè)裝置，一個(gè)模擬信號(hào)處理裝置和一個(gè)數(shù)字式電子信息裝置。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)受到周期性載荷時(shí)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)出一瞬間此結(jié)構(gòu)的溫度變化。紅外線探頭可以掃描此結(jié)構(gòu)，并且可以從受載系統(tǒng)中測(cè)出參考信號(hào)的輸出值。數(shù)字式電子信息裝置通過(guò)參考信號(hào)可以檢測(cè)出感應(yīng)應(yīng)力的熱偏差量。此時(shí)一種彩色的輪廓曲線圖繪出，圖顯示出此時(shí)主應(yīng)力（δ1+δ2）之和，同時(shí)直方圖也顯示出有用的數(shù)值。信號(hào)的這個(gè)相互關(guān)系有效地去除了其它不同的受載系統(tǒng)信號(hào)的頻率。例如，周圍介質(zhì)的溫度。SPATE系統(tǒng)的溫度分辨力達(dá)到0.001°C,空間分辨力小于1mm。 這種分析已經(jīng)得到一些作者3-16的驗(yàn)證，并且已經(jīng)用于非均質(zhì)材料，如復(fù)合材料，并且從這樣的研究中比較理論的或有限元分析的結(jié)果，以此可以確定一些少量的錯(cuò)誤（～6%），這些少量的錯(cuò)誤是由于在材料數(shù)據(jù)的使用上不準(zhǔn)確4。很明顯研究熱彈性應(yīng)力的分析，以此來(lái)評(píng)估各向異性的復(fù)合材料，這種材料比均質(zhì)的材料更復(fù)雜化。然而，這項(xiàng)技術(shù)能提供許多有用的信息，諸如：應(yīng)力分布、表面檢測(cè)效果和裂縫增長(zhǎng)預(yù)測(cè)信息。它可以確定已給正確的、詳細(xì)的材料特性以及依賴材料各向異性程度的定性結(jié)果，包括：膨脹系數(shù)。 先前是對(duì)懸架臂進(jìn)行了全面的SPATE分析，這個(gè)分析是要確定用于實(shí)驗(yàn)的材料的校準(zhǔn)系數(shù)。有兩種方案可以測(cè)得系數(shù)，一是在材料的盤形的任一邊加載壓力并且與采用理論方法產(chǎn)生的SPATE輸出值相比較得出系數(shù)，或者通過(guò)應(yīng)變儀直接測(cè)出零件在均勻區(qū)域的應(yīng)力分布，從而直接獲得與SPATE輸出值的比值。雖然在這種情形下以上兩種方法才適用，但通過(guò)應(yīng)變儀直接校準(zhǔn)，以便解決眾多問(wèn)題。這樣的話從SPATE輸出的數(shù)值中可以獲得重要的信息。 光彈性分析 大多數(shù)光彈性分析研究是用來(lái)檢查復(fù)合材料在受宏觀力作用后的效果的。它是采用光彈性涂層技術(shù)來(lái)分析其作用效果的。這樣做是為避免構(gòu)建復(fù)雜的各向異性的光彈性模型，并且這樣構(gòu)建的組合體失去了透明度以至不能分析。然而，對(duì)于復(fù)雜纖維層，只有一種方法來(lái)處理光彈性分析并且這樣的一些研究已經(jīng)用于復(fù)合材料的研究17-30。從那樣的分析中可以得到合理的結(jié)論，但這種分析要求材料有必須的透明度?？墒菑?fù)合組合體要采用這種研究方法，因此從模壓塑料板材和假設(shè)的均質(zhì)材料中來(lái)制造，那么將會(huì)簡(jiǎn)化光彈性模型的構(gòu)建。 為了進(jìn)行光彈性分析，需要構(gòu)建懸架臂的一個(gè)三維的環(huán)氧樹(shù)脂模型。該模型以典型的方式按比例縮小，并且受到循環(huán)的“應(yīng)力點(diǎn)”的作用。在這種溫度下楊氏模量發(fā)生了變化，而且模型在此條件下已變形。為了避免不均勻溫度引起的熱應(yīng)力，此模型需要慢慢冷卻。在冷卻循環(huán)中模型的變形與所受的應(yīng)力限制了該模型。在偏振光下觀察三維模型是不規(guī)則的邊的堆砌。為了確定在任一點(diǎn)上主應(yīng)力的大小和方向，切片在偏振光下檢測(cè)時(shí)需要清理。通過(guò)計(jì)算模型的應(yīng)力干涉邊紋的數(shù)量，可以算出并轉(zhuǎn)換為組件的實(shí)際受載情況。這樣做可以算出模型和組件材料之間的比值，以及載荷和空間參數(shù)之間的比值。 下懸架臂通過(guò)橡膠安裝襯套安裝在車架上的，至于模擬這些安裝襯套的合理性已經(jīng)展開(kāi)研究。然而實(shí)驗(yàn)用的硅和泡沫橡膠處于高溫環(huán)境中時(shí)，襯套的硬度會(huì)降低，不能保持其工作狀態(tài)。這樣的話光彈性分析要假設(shè)懸架臂是整體安裝的。 有限元分析 模型化的復(fù)合式懸架臂用了大約1300 STIF45 ANSYS 實(shí)體元件，懸架臂通過(guò)橡膠安裝襯套安裝在副車架上，可以模擬出彈性元件襯套所表示出的剛性，還可以模擬出真實(shí)的受載零件。有限元模型通過(guò)在球節(jié)處的發(fā)光元件來(lái)進(jìn)行模擬受載。 三種加載情況是用ANSYS 有限元分析軟件來(lái)分析的。第一種情況是模擬全pot-hole 制動(dòng)載荷。第二種情況由于測(cè)試設(shè)備的局限在模擬輕載荷是得到的數(shù)值要與用測(cè)量得到的數(shù)值比較。以上兩種情況都是用彈性元件來(lái)模擬橡膠安裝襯套的剛性。第三種情況還是輕載，但是這次省略了彈性元件。就像模擬化的懸架臂要實(shí)體安裝一樣，第三種情況需要有SPATE和光彈性分析它們之間的相互關(guān)系。 結(jié)論 1.有限元分析 懸架臂的分析表明了在受載情況下組件的最大等應(yīng)力非常接近在pot-hole情況下所給材料的最大抗拉強(qiáng)度。這意味著組件要采用不同的材料來(lái)加工，或者在組件受高強(qiáng)度應(yīng)力的位置采用其余的材料。由于電腦磁盤空間的限制，在有限元模型中所用的一些元件相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，并且在整個(gè)安裝襯套范圍內(nèi)所使用的元件的尺寸由于太大了，以至于不能檢測(cè)任何密集的應(yīng)力。另外，鑒于組件的幾何結(jié)構(gòu)、混合磚、以及四面的邊，這些使得多種元件在這些位置上趨于剛性。以至于得不到好的或者是不推薦使用的結(jié)果，那么就不得不需要在這些高應(yīng)力梯度區(qū)域模擬出更小的元件。 2.光彈性分析 假設(shè)用于光彈性分析的懸架臂模型通過(guò)在前后方向上加載，使得最大應(yīng)力分布在水平面上。雖然在實(shí)際中，由于特定區(qū)域的幾何形狀的影響使得上述結(jié)果嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并不是十分正確，但是假設(shè)也是建立在大量準(zhǔn)確的結(jié)果之上的。如果在特定區(qū)域內(nèi)有明顯的偏差，那么可能是由于不同平面上的切片所引起的。最大應(yīng)力發(fā)生在球鉸窩和車身安裝連接附近。 因?yàn)楣鈴椥苑治瞿芫_定位在微小區(qū)域上的高應(yīng)力，所以通過(guò)光彈性分析得到的最大應(yīng)力比用應(yīng)變測(cè)量?jī)x測(cè)得的最大應(yīng)力要大。例如：最大應(yīng)力水平分布于前車身安裝連接上，最大值可達(dá)43MP其數(shù)值大于用SPATE測(cè)得的26MP。通過(guò)檢查光彈性模型的切片可以解釋以上兩者的差別，檢查結(jié)果顯示，最大應(yīng)力僅產(chǎn)生跨度在3mm左右的位置上，而且應(yīng)力在跨度兩邊上應(yīng)力都在25MP左右。 3.SPATE分析 最初的SPATE檢測(cè)能測(cè)出位于安裝位置以及一些張緊力或者壓力混合的位置。因?yàn)橄鹉z安裝襯套在應(yīng)變測(cè)量?jī)x測(cè)試時(shí)已發(fā)生了變形，所以要找出關(guān)于有關(guān)懸架臂、車身安裝連接臂位置移動(dòng)所引起的問(wèn)題。如果有必要SPATE可以裝上運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置，它可以及時(shí)地用檢測(cè)裝置中的掃描鏡來(lái)偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)樣品的波動(dòng)，從而消除了波動(dòng)。然而在某些特殊情況下，不能同時(shí)消除在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的波動(dòng)。這樣的話有必要去掉橡膠襯套換用鋁制襯套。SPATE分析法反復(fù)分析實(shí)體襯套并且顯示出在前車身安裝連接周圍之間位置的高抗拉應(yīng)力（26MP）。遺憾是沒(méi)有一個(gè)SPATE分析可以著手分析組件的末端球節(jié)，因?yàn)橐岣咻d荷適應(yīng)性是很難的，需要有液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供循環(huán)載荷。 比較結(jié)果 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是表格中所引用的應(yīng)力值都是來(lái)源于應(yīng)變測(cè)量?jī)x的測(cè)量值，這些測(cè)量值是由多片組合式應(yīng)變片測(cè)出的最大主應(yīng)力進(jìn)而推算出的。光彈性分析也給出了最大主應(yīng)力值，除了在機(jī)體內(nèi)自由邊上的主應(yīng)力（δ1-δ2）與它不同。SPATE分析輸出值是以主應(yīng)力（δ1+δ2）的和給出的，而有限元分析可以以任一形式輸出數(shù)值。因?yàn)榻M合體的幾何形狀和加載力的方式的緣故δ2 和δ3值通常很小，這樣直接比較就沒(méi)有了在兩種不同分析方法間比較所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化數(shù)值。 表格1中的結(jié)果是在最大pot-hole的情況下比較出的。最大應(yīng)力值都產(chǎn)生在球節(jié)處與聯(lián)接處。由應(yīng)變測(cè)量?jī)x和光彈性分析在輕載的情況下可以測(cè)出這些合應(yīng)力。模型的應(yīng)力增加了，它是當(dāng)前后載荷和橫向載荷之間的比值保持不變并且當(dāng)在全pot-hole制動(dòng)時(shí)以不變的比例作用于懸架臂的。在輕載條件下的分析結(jié)果除了安裝襯套之外都列在表2中。 表3列舉了在輕載條件下無(wú)安裝襯套時(shí)都集中在一個(gè)非常小的點(diǎn)上的應(yīng)力值，而通過(guò)有限元分析給出的應(yīng)力值相對(duì)來(lái)說(shuō)分布要大的多。就光彈性分析的結(jié)果而言，在集中的兩邊上的平均公稱應(yīng)力也標(biāo)在括號(hào)中，以便比較。與應(yīng)變測(cè)量所得結(jié)果相比，由SPATE得出的結(jié)果是非常接近最大應(yīng)力的。當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)理論上SPATE應(yīng)當(dāng)比應(yīng)變測(cè)量更有用，這樣在較小區(qū)域上的測(cè)量值取決于掃描的物體間的距離，這樣的話用SPATE測(cè)量時(shí)要設(shè)置1mm直徑，相比之下應(yīng)變測(cè)量需要設(shè)置2.5mm柵格長(zhǎng)。然而組合體在這個(gè)例子中有不同的循環(huán)的微小移動(dòng)時(shí)，圖象在某種程度上將不可避免地發(fā)生模糊，這樣的誤差可以忽略不計(jì)。 表1.全載荷條件下的應(yīng)力值（MP） 位置 應(yīng)變測(cè)量 有限元分析 光彈性分析 球鉸窩 176 165 176 表2.輕載荷條件下安裝襯套的應(yīng)力值（MP） 位置 應(yīng)變測(cè)量 有限元分析 車身安裝連接的內(nèi)徑 25 20 球鉸窩 49 40 表3.輕載荷條件無(wú)安裝襯套的應(yīng)力值（MP） 位置 有限元分析 SPATE 光彈性分析 車身安裝連接的內(nèi)徑 22 26 43（25） 球鉸窩 30 - 42（25） 結(jié)論 上述使用的所有分析技術(shù)：SPATE、光彈性分析、有限元分析以及應(yīng)變測(cè)量分析，這些分析表示出在球鉸窩附近區(qū)域的最高應(yīng)力，所有的方法也表示出車身安裝連接襯套的主應(yīng)力。然而，有限元分析不能經(jīng)常準(zhǔn)確地在大區(qū)域單元上表示出高應(yīng)力。如果需要更詳細(xì)的結(jié)果可以在這些區(qū)域上進(jìn)行有限元分析，那時(shí)它們不得不在高應(yīng)力梯度區(qū)域上模擬出更多，更詳細(xì)的單元。對(duì)于每一種分析技術(shù)來(lái)說(shuō)整個(gè)應(yīng)力分布圖是一樣的，應(yīng)變測(cè)量的結(jié)果和用有限元分析出的結(jié)果間的區(qū)別可以用測(cè)量的準(zhǔn)確性來(lái)解釋，就像Autio et al 31所記錄的一樣，應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)所引起的誤差占到5～10%，而更多的誤差是由于定向、定位以及測(cè)量引起的。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果應(yīng)變測(cè)量需要一個(gè)合理的一致的應(yīng)力。由于任何一個(gè)很大的應(yīng)力梯度或是區(qū)域相對(duì)很低或者是非主應(yīng)力的原因，這種情況下形狀的改變?cè)趹壹鼙凵喜荒芙?jīng)常達(dá)到要求。 所有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在組合懸架臂上都顯示了類似的應(yīng)力分布圖。這些方法突出了在球鉸窩區(qū)域的高拉伸應(yīng)力，同樣也突出車身安裝連接臂周圍的高應(yīng)力。如果高應(yīng)力被測(cè)出，它們將如先前所料的那樣集中在幾何形狀改變的位置。光彈性分析有效地說(shuō)明在小區(qū)域上的應(yīng)力如何的集中。相比較而言有限元分析由許多幾毫米的單元組成，這樣可以平均一下長(zhǎng)度上的應(yīng)力密度，并且可以表示出較小的值。 這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)展示了它們之間很好的關(guān)聯(lián)性，光彈性分析、SPATE以及有限元分析都對(duì)懸架臂進(jìn)行了分析，并且所得出的應(yīng)力圖是非常相似的。 還可以得出一個(gè)結(jié)論：SPATE技術(shù)可以提供一個(gè)有用的、非接觸的方法確定復(fù)合材料的應(yīng)力。 參考文獻(xiàn) 1 Sol, H. and de Wilde, W.P. 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