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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，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”，以此來滿足特殊的要求。然而，約翰遜等2說明了在復(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)與開發(fā)中得到應(yīng)用。 這樣少量的工作似乎完成了研究過程，但這些結(jié)果是否包括：通過各種分析方法找出相互見的關(guān)系或者通過測(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,用來制造懸架臂的材料是模壓塑料板材材料它是聚酯樹脂粘合劑加上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分析它們。 大部分有效的測(cè)試要通過應(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，但通過應(yīng)變儀直接校準(zhǔn)，以便解決眾多問題。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。有限元模型通過在球節(jié)處的發(fā)光元件來進(jìn)行模擬受載。 三種加載情況是用ANSYS 有限元分析軟件來分析的。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)來說較少，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)格來說并不是十分正確，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)說明的是表格中所引用的應(yīng)力值都是來源于應(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，而通過有限元分析給出的應(yīng)力值相對(duì)來說分布要大的多。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)來說整個(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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