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中文译文 汽车复合材料悬架摆臂的实验分析 和 K ) 摘要 ： 减轻汽车自重和简化零件能获得应用 ,罗孚公司开始研究复合材料零件的设计与制造。在大规模的汽车工业中，从设计到制造的各个环节中，较多的是针对钢件 ,对于复合材料零件尚未有很好的研究。复合材料的基本研究方法已经出现，其中最重要的是有限元技术，同样可以通过对原型的光弹性分析和应变测量模式及传统应变检测来提高效果。这些少 量的工作已经可以把结果联系起来，这些结果中包含了不同的测试方法，并且采用了基于实际结果的测试手段来加以比较。这篇文章阐述了一些关于汽车悬架臂的分析与测试。应用三种不同的分析技术得到的结果，与实验测试进行比较，并对它们的准确性进行了讨论。 关键词： 汽车的悬架摆臂、应力分析、有限元分析、光弹性分析、 变测量、模压塑料板材 阐述过复合材料已经迅速地成为一种结构材料。原因是复合材料具有高强度和高硬度，这些性质可以降低结构的重量 。 也许复合材料最重要的特征是它们的力学性质可以“配置的”，以此来满足特殊的要求。然而，约翰逊等 2说明了在复合材料在用于轿车和卡车之前，它的设计、分析和制造技术仍需要重点的开发和成功的论证。 复合材料不得不在工程领域与钢材相竞争。在汽车工业中需要有相关的部门来转换某些技术就像华威大学的先进技术中心，该中心拥有材料学家 、汽车工程师，他们致力于研究复合材料以此来替代像钢这种传统材料，这就要求汽车设计者需要充分掌握材料的强度和局限性。只有这样他们才能在概念设计阶段从众多的可选方案中选择其一。对于这些问题需要汽车工程师们在设计、测试以及零部件的制造当中掌握复合材料的 性质，及其多种分析方法。例如：有限元分析、光弹性分析。这些分析方法在复合组合体的设计与开发中得到应用。 这样少量的工作似乎完成了研究过程，但这些结果是否包括：通过各种分析方法找出相互见的关系或者通过测试实际的组合体得到实际的实验结果。为了研究用复合式组合体表示的汽车下悬架臂，采取了不同的分析方法，从而找出这些方法的适用范围及其相互关系。这个复合组合体在现实受载情况下通过三种方法分析，而且实验的结果中包含了应变测量。 1 设计 原先的钢制下悬架臂由 9块组件焊接在一起的 ,然而重新设计的复合材料组件 如图 用来制造悬架臂的材料是 模压塑料板材材料它是聚酯树脂粘合剂加上 30%含量的不规则排列的短玻璃纤维 ,以及碳酸钙填料。钢制悬架臂质量为 而重新设计的用模压塑料板材材料制成的悬架臂，就算把衬套和球节的质量加到一起总质量也不过为 合悬架臂材料的性质在这些分析中可以得出，测试在 罗孚材料实验室已完成 ，得出如下的选择：杨氏模量 =泊松比 =密度 =10-6 kg/实验技术 先前承担实验分析的是一种实际的工程零件。当采用 模压塑料板材时，最初的一些有效工作需要有足够的技术条件来支撑。因此，平板、横杆和圆盘由模压塑料板材制成时，那么要在设计部件工作之前就要加载各种不同的条件来分析它们。 大部分有效的测试要通过应变测量及其有限元分析。尽管模压塑料板材不是一种均质材料，它在生产工艺中由一些纤维定位，但为了分析这种材料我们要假设它是均质材料。同样，用模压塑料板材制成的 悬架 臂已经被离散化，主要的纤维分布在加强肋处，分析实验结果之间的联系会发现这个假设是可行的。 应变测量 在着手做实验测试任务之前，复合组件是由它的橡胶安装 衬套安装在一个相对坚固的结构上。由于很难考虑到各种条件在做实验时要假设处于最坏的情况下，最坏的情况是在加载“ 。这个实验是试图模拟汽车以 30时制动器完全处于冲击点上。这个时候的合力和横向载荷的计算是以汽车的重量和速度来测算的。全部的有由于 以及结果的换算，这会导致作用在同一方向上的载荷减少。在全部 荷作用在“ x”方向为 N，在“ y”方向上是 x”方向是 “ y”方向上是 图 1. 应变仪由 6 个坐标多片组合式应变片和 13 个 的单极应变片组成。要选择合适的组件半径，这样才能测得最大的应变值。应变片放在球节附近，因为这个位置受到载荷，还要将应变片放在车身安装连接 衬套的内壁上，因为着这个位置是联接 悬架臂与副车架的。其余的应变片放在加强肋和防侧倾稳定杆连接安装位 置的附近。 析 防侧倾稳定杆连接 ) 球铰窝 ) 车身安装连接 ) 2 过研究在周期性载荷条件下零件温度的细小变化，而得出其所受的应力值。 个带有扫描探头的检测装置，一个模拟信号处理装置和一个数字式电子信息装置。整个系统的工作原理是这样的，当一个结构受到周期性载荷时，该系统可以检测出一瞬间此结构的温度变化。红外线探头可以扫描此结构，并且可以从受载系统中测出参考信号的输出值。数字式电子信息装置通过参考信号可以检测出感应应力的热偏差量。此时一种彩色的轮廓曲线图绘出，图显示出此时主应力（ 1+ 2） 之和，同时直方图也显示出有用的数值。信号的这个相互关系有效地去除了其它不同的受载系统信号的频率。例如，周围介质的温度。 , 空间 分辨力小于 1 这种分析已经得到一些作者 3且已经用于非均质材料，如复合材料，并且从这样的研究中比较理论的或 有限元分析的结果，以此可以确定一些少量的错误（ 6%），这些少量的错误是由于在材料数据的使用上不准确 4。很明显研究热弹性应力的分析，以此来评估各向异性的复合材料，这种材料比均质的材料更复杂化。然而，这项技术能提供许多有 用的信息，诸如：应力分布、表面检测效果和裂缝增长预测信息。它可以确定已给正确的、详细的材料特性以及依赖材料各向异性程度的定性结果，包括：膨胀系数。 先前是对悬架臂进行了全面的 个分析是要确定用于实验的材料的校准系数。有两种方案可以测得系数，一是在材料的盘形的任一边加载压力并且与采用理论方法产生的者通过应变仪直接测出零件在均匀区域的应力分布，从而直接获得与 然在这种情形下以上两种方法才适用，但通过应变仪直接校准，以便解决众多问题。这样的 话从 光弹性分析 大多数 光弹性分析研究是用来检查复合材料在受宏观力作用后的效果的。它是采用光弹性涂层技术来分析其作用效果的。这样做是为避免构建复杂的各向异性的光弹性模型，并且这样构建的组合体失去了透明度以至不能分析。然而，对于复杂纤维层，只有一种方法来处理光弹性分析并且这样的一些研究已经用于复合材料的研究 17那样的分析中可以得到合理的结论，但这种分析要求材料有必须的透明度。可是复合组合体要采用这种研究方法，因此从模压塑料板材和假设的均质材料中来制造，那么将 会简化光弹性模型的构建。 为了进行光弹性分析，需要构建悬架臂的一个三维的环氧树脂模型。该模型以典型的方式按比例缩小，并且受到循环的“应力点”的作用。在这种温度下杨氏模量发生了变化，而且模型在此条件下已变形。为了避免不均匀温度引起的热应力，此模型需要慢慢冷却。在冷却循环中模型的变形与所受的应力限制了该模型。在偏振光下观察三维模型是不规则的边的堆砌。为了确定在任一点上主应力的大小和方向，切片在偏振光下检测时需要清理。通过计算模型的应力干涉边纹的数量，可以算出并转换为组件的实际受载情况。这样做可以算出模型和组件材 料之间的比值，以及载荷和空间参数之间的比值。 下悬架臂通过橡胶安装衬套安装在车架上的，至于模拟这些安装衬套的合理性已经展开研究。然而实验用的硅和泡沫橡胶处于高温环境中时，衬套的硬度会降低，不能保持其工作状态。这样的话光弹性分析要假设悬架臂是整体安装的。 有限元分析 3 模型化的复合式悬架臂用了大约 1300 体元件，悬架臂通过橡胶安装衬套安装在副车架上，可以模拟出弹性元件衬套所表示出的刚性，还可以模拟出真实的受载零件。有限元模型通过在球节处的发光元件来进行模拟受载。 三种加载情况是用 限元分析软件来分析的。第一种情况是模拟全 动载荷。第二种情况由于测试设备的局限在模拟轻载荷是得到的数值要与用测量得到的数值比较。以上两种情况都是用弹性元件来模拟橡胶安装衬套的刚性。第三种情况还是轻载，但是这次省略了弹性元件。就像模拟化的悬架臂要实体安装一样，第三种情况需要有 结论 悬架臂的分析表明了在受载情况下组件的最大等应力非常接近在 意味着组件要采用不同的材料来加工，或 者在组件受高强度应力的位置采用其余的材料。由于电脑磁盘空间的限制，在有限元模型中所用的一些元件相对来说较少，并且在整个安装衬套范围内所使用的元件的尺寸由于太大了，以至于不能检测任何密集的应力。另外，鉴于组件的几何结构、混合砖、以及四面的边，这些使得多种元件在这些位置上趋于刚性。以至于得不到好的或者是不推荐使用的结果，那么就不得不需要在这些高应力梯度区域模拟出更小的元件。 假设用于光弹性分析的悬架臂模型通过在前后方向上加载，使得最大应力分布在水平面上。虽然在实际中，由于特定区域的几何形状的影响 使得上述结果严格来说并不是十分正确，但是假设也是建立在大量准确的结果之上的。如果在特定区域内有明显的偏差，那么可能是由于不同平面上的切片所引起的。最大应力发生在球铰窝和车身安装连接附近。 因为光弹性分析能精确定位在微小区域上的高应力，所以通过光弹性分析得到的最大应力比用应变测量仪测得的最大应力要大。例如：最大应力水平分布于前车身安装连接上，最大值可达436过检查光弹性模型的切片可以解释以上两者的差别，检查结果显示，最大应力仅产生跨度在 3且应力在跨 度两边上应力都在 25 最初的 为橡胶安装衬套在应变测量仪测试时已发生了变形，所以要找出关于有关悬架臂、车身安装连接臂位置移动所引起的问题。如果有必要 可以及时地用检测装置中的扫描镜来偏转试验样品的波动，从而消除了波动。然而在某些特殊情况下，不能同时消除在整个区域内的波动。这样的话有必要去掉橡胶衬套换用铝制衬套。 抗拉应力（ 26遗憾是没有一个 为要提高载荷适应性是很难的，需要有液压执行机构提供循环载荷。 比较结果 应当说明的是表格中所引用的应力值都是来源于应变测量仪的测量值，这些测量值是由多片 4 组合式应变片测出的最大主应力进而推算出的。光弹性分析也给出了最大主应力值，除了在机体内自由边上的主应力 （ 1）与它不同。 1+ 2）的和给出的，而有限元分析可以以任一形式输出数值。因为组合体的几何形状和加载力的方式的缘故 2 和 3值通常很 小，这样直接比较就没有了在两种不同分析方法间比较所产生的转化数值。 表格 1中的结果是在最大 大应力值都产生在球节处与联接处。由应变测量仪和 光弹性分析在轻载的情况下可以测出这些合应力。模型的应力增加了，它是当前后载荷和横向载荷之间的比值保持不变并且当在全 轻载条件下的分析结果除了安装衬套之外都列在表 2中。 表 3列举了在轻载条件下无安装衬套时都集中在一个非常小的点上的应力值，而通过有限元分析给出的应力值相对来说分布要大的多。就光 弹性分析的结果而言，在集中的两边上的平均公称应力也标在括号中，以便比较。与应变测量所得结果相比，由 应力集中时理论上 样在较小区域上的测量值取决于扫描的物体间的距离，这样的话用 而组合体在这个例子中有不同的循环的微小移动时，图象在某种程度上将不可避免地发生模糊，这样的误差可以忽略不计。 表 位置 应变测量 有限元分析 光弹性分析 球铰窝 176 165 176 表 位置 应变测量 有限元分析 车身安装连接的内径 25 20 球铰窝 49 40 表 位置 有限元分析 弹性分析 车身安装连接的内径 22 26 43（ 25） 球铰窝 30 - 42（ 25） 结论 上述使用的所有分析技术： 弹性分析、有限元分析以及应变测量分析，这些分析表示出在球铰窝附近区域的最高应力，所 有的方法也表示出车身安装连接衬套的主应力。然而，有限元分析不能经常准确地在大区域单元上表示出高应力。如果需要更详细的结果可以在这些区域上进行有限元分析，那时它们不得不在高应力梯度区域上模拟出更多，更详细的单元。对于每一种分析技术来说整个应力分布图是一样的，应变测量的结果和用有限元分析出的结果间的区别可以用测量的准确性来解释，就像 et 1所记录的一样，应变测量系统所引起的误差占到 5 10%，而更多的误差是由于定向、定位以及测量引起的。为了获得准确的结果应变测量需要一个合理的一致的应力。由于 任何一个很大的应力梯度或是区域相对很低或者是非主应力的原 5 因，这种情况下形状的改变在悬架臂上不能经常达到要求。 所有的实验技术在组合悬架臂上都显示了类似的应力分布图。这些方法突出了在球铰窝区域的高拉伸应力，同样也突出车身安装连接臂周围的高应力。如果高应力被测出，它们将如先前所料的那样集中在几何形状改变的位置。光弹性分析有效地说明在小区域上的应力如何的集中。相比较而言有限元分析由许多几毫米的单元组成，这样可以平均一下长度上的应力密度，并且可以表示出较小的值。 这些实验技术展示了它们之间很好的关联性，光弹性分析 、 及有限元分析都对悬架臂进行了分析，并且所得出的应力图是非常相似的。 还可以得出一个结论： 术可以提供一个有用的、非接触的方法确定复合材料的应力。 参考文献 1 H. of of 1988 (1988) 73 of a 987) 97 31 (1987) 6 P. of to J o 3 (1988) 37 of of J 3 (1989) 70 in by 31 (1987) 10 R., of S s 1988) 9 of to 17 (1987) 34 K., K. 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(1 992;993 In be of in in in a so a A in a is of of is on by to to on an of of a is w o r d s : E; ol as A t h i s . . , is to to of a . is p:to a et 8 be in to a of as at to as an to as If to in a to be of so be of at of to on of as by be to in to to or a In to of to a - an - by he of be 1a to a a a 30% of of kg MC .5 防侧倾稳定杆连接 ) 球铰窝 ) 车身安装连接 ) 9 in s s s 1.8 x 10-6 kg 3. to o f an to in to MC on to to it is MC is an to of to be MC up in It is in of a It is to of a is on is to a 0 at of on of to o f be to as 4.2 kN X .2 kN Y, .9 kN X kN Y - - 1. of 3 .5 mm to of in an to of be to on of to E by be to of by in to a an a by a is 10 a An A of of 4 ) is a of by a C, a of less
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