車架彎曲試驗(yàn)與仿真對標(biāo)誤差的探究

何遠(yuǎn)宏　張清奎　徐敏　謝懷圣　周傲

摘 要：文章主要介紹車架疲勞試驗(yàn)的實(shí)施過程以及此過程中的傳感器布置方式。通過仿真試驗(yàn)相結(jié)合方式，來修正數(shù)值模型。為以后的類似的仿真提供參考模型，同時對比多組仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異同點(diǎn)進(jìn)行了探討，為以后的仿真積累了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：彎曲試驗(yàn);仿真;對標(biāo);誤差中圖分類號：U463.32 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-83-03

Abstract： This paper mainly introduces the implementation process of frame bending test and the sensor arrangement in this process. The numerical model is modified by the combination of simulation and experiment.It provides a reference model for similar simulation in the future. At the same time， it compares several groups of simulation and test data， the similarities and differences between simulation data and test data are also discussed. To accumulate experience for future simulation.Keywords： Bending test; Simulation; Benchmarking; ErrorCLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-83-03

前言

計(jì)算仿真在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并在多方面逐步取代了試驗(yàn)，縮短了產(chǎn)品驗(yàn)證環(huán)節(jié)和開發(fā)成本。但仿真的結(jié)果建立在正確的模型基礎(chǔ)之上，幾何模型，材料模型，以及邊界模型以及其他各方面偏差都會影響仿真結(jié)果。為了得到正確的仿真結(jié)果，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證^[1]，通過試驗(yàn)來修正模型。使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨于一致。用修正后的模型做仿真分析，取代實(shí)驗(yàn)以達(dá)到節(jié)省成本的目的。

本文通過試驗(yàn)仿真對標(biāo)，來驗(yàn)證仿真的模型的準(zhǔn)確性。同時通過對模型的調(diào)整使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨于一致。為后來的產(chǎn)品開發(fā)仿真提供準(zhǔn)確的數(shù)字模型，并對產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了探討。

1 車架試驗(yàn)過程及結(jié)果

1.1 彎曲試驗(yàn)

臺架的設(shè)計(jì)^[2]依據(jù)實(shí)際工況，且保障臺架相對結(jié)構(gòu)有足夠大的剛度，以便得到理想的車架邊界條件。

載荷的施加在鞍座上，載荷分三個階段施加，第一、二、三階段分別加載180KN、270KN、360KN，載荷形式為正弦等幅值周期載荷，加載頻率^[3]為1-1.4HZ。

位移傳感器在平衡軸上和前橋旋轉(zhuǎn)附近左右兩側(cè)各布置1組傳感器，以監(jiān)測臺架剛度。大梁其他位置沿縱向每隔1300mm左右布置一組位移傳感器。檢測其上下位移變化。

應(yīng)變計(jì)主要安裝在大梁擾度最大區(qū)附近，擾度最大處應(yīng)力幅值相對較大。大梁上下端面受擠壓或拉伸變形，應(yīng)力狀態(tài)相對簡單，在上下端面安裝應(yīng)變片，在側(cè)面安裝應(yīng)變花。

采集設(shè)備可以時刻動態(tài)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測大梁的位移和應(yīng)力的變化。

位移傳感器輸出的正位移表示大梁上翹，輸出的是負(fù)值表示大梁下彎，單側(cè)大梁測量點(diǎn)輸出的位移如下表所示：

以下彎擾度最大處傳感器輸出位的移計(jì)算大梁彎曲剛度，可從擬合曲線上看出擬合剛度為75.9KN/mm。

應(yīng)變片只能檢測出單向應(yīng)力，應(yīng)變花可以確定一點(diǎn)的完整的應(yīng)力狀態(tài)，測試軟件輸出第一、第二主應(yīng)力。由于各向同性低碳鋼以Von mise 應(yīng)力來考察其強(qiáng)度^[4]。需將輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)化為Von mise 應(yīng)力， Von mise應(yīng)力和主應(yīng)力關(guān)系為 σ={[σ₁²+σ₂²+（σ₁-σ₂）²]/2}^0.5 ，其中σ為Von mise 應(yīng)力，σ₁ 為第一主應(yīng)力，σ₂為第二主應(yīng)力。1-6 #應(yīng)變花測到應(yīng)力經(jīng)轉(zhuǎn)化后的結(jié)果如下表：

各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為Von mise 應(yīng)力有利于減少仿真與分析的對標(biāo)時的工作量。

2 彎曲對標(biāo)

2.1 位移仿真及對標(biāo)

對試驗(yàn)車架做仿真分析，仿真模型的建模與試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３忠恢?。其中工況設(shè)置和臺架試驗(yàn)相同，在分析后處理中標(biāo)注出與試驗(yàn)車架上相同測量位置的各物理量。

彎曲試驗(yàn)測試的是垂直向位移，即為圖4中的Y向位移。應(yīng)力結(jié)果是Von mise 應(yīng)力。

仿真對標(biāo)試驗(yàn)時，第一考察位移對標(biāo)重合度要高，位移對標(biāo)誤差小，應(yīng)力對標(biāo)誤差就小。在位移對標(biāo)中首先要關(guān)注前后橋旋轉(zhuǎn)中心處的位移，要和試驗(yàn)保持一致。這樣才能保證仿真臺架模型的剛度和試驗(yàn)臺架模型剛度保持接近。然后再微調(diào)模型使多數(shù)測試點(diǎn)和試驗(yàn)誤差控制在10%以內(nèi)，誤差特別顯著的點(diǎn)可以臨時剔除，但保證整體分布點(diǎn)要合理，不能出現(xiàn)車架大段無測量點(diǎn)的情況出現(xiàn)。

各測試點(diǎn)的為Von mise 應(yīng)力。這樣不用比較各應(yīng)力分量，有利于比試驗(yàn)、仿真應(yīng)力的差異。

由于仿真為線性準(zhǔn)靜態(tài)分析，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果從小逐步增大過程中，仿真與試驗(yàn)的差別也越來越明顯，除車架轉(zhuǎn)動中心處，誤差較大。此處理論為零位移。但實(shí)際不不能保證得到零位移。其他各點(diǎn)在小載荷去基本保持在10%以內(nèi)，仿真結(jié)果基本反映出大梁真實(shí)彎曲和應(yīng)力大小情況。

從以上圖看也可以看出隨著載荷增大，仿真試驗(yàn)的位移和應(yīng)力誤差隨著增加。試驗(yàn)剛度擬合曲線存在非線性行為。而仿真剛度擬合基本為線性。仿真剛度為82.9Kn/mm，與試驗(yàn)所得剛度值存在9%的誤差。此誤差產(chǎn)生的原因，主要由兩點(diǎn)，第一是由于仿真臺架與試驗(yàn)臺架存在一定差別，第二試驗(yàn)加載幾何存在一定非線性行為，而仿真采用的是準(zhǔn)靜態(tài)線性分析。

3 結(jié)論

試驗(yàn)和仿真對標(biāo)誤差基本在可接受的范圍之內(nèi)，仿真所得結(jié)果在較小載荷內(nèi)與實(shí)際吻合度高，在此載荷內(nèi)，可采用準(zhǔn)靜態(tài)方法仿真分析，在大載荷段由于非線性成份增大。要考慮幾何和材料的非線性行為。

本文所述試驗(yàn)和仿真對標(biāo)是在彎曲工況所做的論述，對此工況下仿真分析有參考意義，但對模型剛度考察并不全面，若要全面考察模型剛度，并修正其剛度，需做模態(tài)對標(biāo)^[5]工作。

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