模塊化組合策略在白車身剛度試驗(yàn)中的應(yīng)用

梁雪梅，陳軍

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)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(jìn)行任何試驗(yàn)項目之前都應(yīng)進(jìn)行合理、經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)的策劃和設(shè)計，對于白車身剛度性能驗(yàn)證試驗(yàn)這種較為復(fù)雜的系統(tǒng)試驗(yàn)更為如此。因此，在進(jìn)行策劃和設(shè)計試驗(yàn)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(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 模塊化組合策略

模塊化是指解決一個復(fù)雜問題時把系統(tǒng)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(fù)雜系統(tǒng)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(tǒng)所要求的功能。其特點(diǎn)是:(1)分級啟動功能。(2)能節(jié)約資源，提高效率。

2 白車身剛度試驗(yàn)設(shè)計

2.1 試驗(yàn)設(shè)計模塊化組合策略

剛度是車身性能驗(yàn)證的一個重要項目，而白車身剛度試驗(yàn)設(shè)計是實(shí)現(xiàn)這一驗(yàn)證項目的最基礎(chǔ)最重要的一個環(huán)節(jié)。在試驗(yàn)設(shè)計過程中應(yīng)采取模塊化組合策略［1］，即試驗(yàn)場地模塊和試驗(yàn)?zāi)康哪K的組合策略 (見圖1)。其中試驗(yàn)場地模塊的內(nèi)容主要是試驗(yàn)手段的選擇，試驗(yàn)?zāi)康哪K的內(nèi)容主要是測試項目的確定。

2.2 白車身剛度試驗(yàn)設(shè)計要點(diǎn)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康哪K化設(shè)計

試驗(yàn)?zāi)康哪K可分為整體剛度性能［2］驗(yàn)證和局部剛度性能［2］驗(yàn)證兩個子模塊，其中整體剛度包括彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和開口部分剛度。文中主要討論整體剛度性能驗(yàn)證子模塊。

汽車承載乘員或貨物的質(zhì)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(zhuǎn)載荷 (見圖4)。因此，白車身應(yīng)進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度性能驗(yàn)證，測試項目應(yīng)包括白車身整體彎曲和扭轉(zhuǎn)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(jù)實(shí)際情況可不進(jìn)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(yàn)場地模塊化設(shè)計

試驗(yàn)場地模塊可以分為測試地點(diǎn)的選擇、測試設(shè)備和儀器的選擇、工裝夾具的設(shè)計制作、測試人員組織4個子模塊。

測試地點(diǎn)的選擇。應(yīng)選擇在室內(nèi)臺架上進(jìn)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(shè)備以及測量儀器等。

測試設(shè)備和儀器的選擇。首先是加載設(shè)備的選擇，加載設(shè)備應(yīng)能滿足量程、加載穩(wěn)定連續(xù)、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(tǒng)、絲桿加載裝置、千斤頂加載裝置等，對于彎曲剛度試驗(yàn)可采用砝碼或沙袋、水袋進(jìn)行加載。其次是測量儀器的選擇，應(yīng)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(tài)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(yīng)的計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行位移數(shù)據(jù)采集，也可以采用普通的百分表來進(jìn)行測量。采用LVDT位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于一次性采集、實(shí)時性好、測量誤差小，但成本較高。采用百分表的優(yōu)點(diǎn)在于成本低，但須人工讀數(shù)，如果測點(diǎn)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(shè)計制作。對工裝夾具的首要要求是應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，因此須在充分考慮通用性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理設(shè)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(yīng)選擇足夠數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)豐富、具有團(tuán)隊合作精神的技術(shù)人員和試驗(yàn)工人，以保證按照既定程序正確高效高質(zhì)量地進(jìn)行臺架安裝、調(diào)試以及試驗(yàn)。

2.2.3 試驗(yàn)?zāi)康哪K和試驗(yàn)場地模塊的組合

首先進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)康哪K化設(shè)計，其次進(jìn)行試驗(yàn)場地模塊化設(shè)計，然后進(jìn)行兩個模塊的組合。組合過程中須協(xié)調(diào)考慮目的和手段之間的關(guān)系，應(yīng)在確定目的的基礎(chǔ)上選擇可操作性的手段，并在可選擇的手段當(dāng)中挑選最優(yōu)的方案以降低試驗(yàn)的不確定性 (包括加載準(zhǔn)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(yàn)手段時還應(yīng)適當(dāng)考慮成本因素。模塊組合的具體表達(dá)形式為擬定試驗(yàn)大綱。

3 白車身剛度試驗(yàn)

圖5為采用模塊化組合策略進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計并開展的白車身整體剛度試驗(yàn)［4］。試驗(yàn)樣件為未裝備懸架等裝置的某兩廂式轎車白車身。試驗(yàn)大綱主要規(guī)定了試驗(yàn)?zāi)康?、測試項目、試驗(yàn)場地和設(shè)備及儀器、加載方式、測量方式、試驗(yàn)樣件的準(zhǔn)備、測點(diǎn)布置、試驗(yàn)規(guī)程、試驗(yàn)結(jié)果表達(dá)及評價［5］等內(nèi)容。試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證白車身整體剛度性能。測試項目為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度(根據(jù)課題實(shí)際需要，不含開口部分剛度)。有了試驗(yàn)大綱的指導(dǎo)，試驗(yàn)過程中可以盡量避免偶然因素造成的失誤。該試驗(yàn)大綱的組織形式是模塊化組合策略應(yīng)用的具體體現(xiàn)。其中試驗(yàn)?zāi)康臑橐粋€模塊，試驗(yàn)場地和設(shè)備及儀器為一個模塊。大綱具體規(guī)定了試驗(yàn)地點(diǎn)為具有足夠大帶T型槽的平板的室內(nèi)場地;規(guī)定了進(jìn)行整體彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的測定，從而確定了試驗(yàn)方案;規(guī)定了具有一定精度的測試儀器和加載設(shè)備或裝置;通過調(diào)查研究，規(guī)定了工裝夾具的設(shè)計原則為非全約束式;同時規(guī)定了具有足夠?qū)嵺`技能和技術(shù)水平的試驗(yàn)人員。

彎曲剛度試驗(yàn)采用經(jīng)過標(biāo)定的沙袋模擬乘員質(zhì)量進(jìn)行加載，根據(jù)實(shí)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(diǎn)為24個，分布于地板縱梁和門檻梁，采用LVDT位移傳感器進(jìn)行測量。白車身固定點(diǎn)位置為前、后懸架安裝點(diǎn)。

扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)采用千斤頂進(jìn)行加載，利用前部鉸接式夾具實(shí)現(xiàn)力偶矩，優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，加載穩(wěn)定準(zhǔn)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(diǎn)為24個，分布于地板縱梁和門檻梁，采用LVDT位移傳感器進(jìn)行測量。白車身固定點(diǎn)位置為后懸架安裝點(diǎn)。

該試驗(yàn)通過模塊化組合策略的應(yīng)用，試驗(yàn)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(zhǔn)備充分、設(shè)備儀器以及人員及時到位，試驗(yàn)取得了令人滿意的結(jié)果。通過將試驗(yàn)結(jié)果與該白車身CAE仿真結(jié)果對比，剛度結(jié)果誤差較小，效果良好。圖6和圖7分別為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析位移云圖。這與試驗(yàn)采集到的相對應(yīng)點(diǎn)的位移變化趨勢高度一致。試驗(yàn)本身也重復(fù)進(jìn)行了3次，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，結(jié)果有效且準(zhǔn)確，誤差在合理范圍之內(nèi)。表1為白車身剛度試驗(yàn)結(jié)果與CAE仿真結(jié)果的比較。

表1 白車身剛度試驗(yàn)結(jié)果與CAE仿真結(jié)果的比較

4 結(jié)論

通過合理、經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)的策劃試驗(yàn)，能切實(shí)保證按照既定程序正確、高效、高質(zhì)量地完成試驗(yàn)并得到準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。通過實(shí)際的驗(yàn)證試驗(yàn)工作，證明了模塊化組合策略能夠有效應(yīng)用于白車身剛度試驗(yàn)工作中。

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

【2】黃金陵.汽車車身設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【3】谷正氣.汽車車身現(xiàn)代技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

【4】《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊:試驗(yàn)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(yàn)方法的比較［C］//2012年中國汽車輕量化技術(shù)研討會論文集，2012.