外文翻譯 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 班 級 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 1 汽車復(fù)合材料懸架擺臂的實(shí)驗(yàn)分析 和 K ) 摘要 ： 減輕汽車自重和簡化零件能獲得應(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，較多的是針對鋼件 ,對于復(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)，同樣可以通過對原型的光彈性分析和應(yīng)變測量模式及傳統(tǒng)應(yīng)變檢測來提高效果。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試方法，并且采用了基于實(shí)際結(jié)果的測試手段來加以比較。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)測試進(jìn)行比較，并對它們的準(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、 變測量、模壓塑料板材 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)域與鋼材相競爭。 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。對于這些問題需要汽車工程師們在設(shè)計(jì)、測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、 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 2 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)變測量。 圖 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 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 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 合懸架臂材料的性質(zhì)在這些分析中可以得出，測試在 羅孚材料實(shí)驗(yàn)室已完成，得出如下的選擇：楊氏模量 =泊松比 =密度 =10-6 kg/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。 大部分有效的測試要通過應(yīng)變測量及其有限元分析。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)系會發(fā)現(xiàn)這個(gè)假設(shè)是可行的。 應(yīng)變測量 在著手做實(shí)驗(yàn)測試任務(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，最壞的防側(cè)傾穩(wěn)定桿連接 ) 球鉸窩 ) 車身安裝連接 ) 3 情況是在加載“ 。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是試圖模擬汽車以 30時(shí)制動器完全處于沖擊點(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算的。全部的 有由于 會導(dǎo)致作用在同一方向上的載荷減少。在全部 荷作用在“ x”方向?yàn)?N，在“ y”方向上是 x”方向是 “ y”方向上是 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) 的單極應(yīng)變片組成。要選擇合適的組件半徑，這樣才能測得最大的應(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。 析 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。 個(gè)帶有掃 描探頭的檢測裝置，一個(gè)模擬信號處理裝置和一個(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)中測出參考信號的輸出值。數(shù)字式電子信息裝置通過參考信號可以檢測出感應(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（ 1+ 2）之和，同時(shí)直方圖也顯示出有用的數(shù)值。信號的這個(gè)相互關(guān)系有效地去除了其它不同的受載系統(tǒng)信號的頻率。例如，周圍介質(zhì)的溫度。 ,空間 分辨力小于 1 這種分析已經(jīng)得到一些作者 3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、表面檢測效果和裂縫增長預(yù)測信息。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)。 先前是對懸架臂 進(jìn)行了全面的 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 者通過應(yīng)變儀直接測出零件在均 4 勻區(qū)域的應(yīng)力分布，從而直接獲得與 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 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，那么將會簡化光彈性模型的構(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 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 限元分析軟件來分析的。第一種情況是模擬全動載荷。第二種情況由于測試設(shè)備的局限在模擬輕載荷是得到的數(shù)值要與用測量得到的數(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 5 裝一樣，第三種情況需要有 結(jié)論 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 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。 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)變測量儀測得的最大應(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) 436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 3且應(yīng)力在跨度兩邊上應(yīng)力都在 25 最初的 為橡膠安裝襯套在應(yīng)變測量儀測試時(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所引起的問題。如果有必要 可以及時(shí)地用檢測裝置中的掃描鏡來偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)樣品的波動，從而消除了波動。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。這樣的話有必要去掉橡膠襯套換用鋁制襯套。 26遺憾是沒有一個(gè) 為要提高載荷適應(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。 6 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)變測量儀的測量值，這些測量值是由多片組合式應(yīng)變片測出的最大主應(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 （ 1）與它不同。 1+ 2）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 2 和 3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 大應(yīng)力值都產(chǎn)生在球節(jié)處與聯(lián)接處。由應(yīng) 變測量儀和 光彈性分析在輕載的情況下可以測出這些合應(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 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)在括號中，以便比較。與應(yīng)變測量所得結(jié)果相比，由 應(yīng)力集中時(shí)理論上 樣在較小區(qū)域上的測量值取決于掃描的物體間的距離，這樣的話用 比之下應(yīng)變測量需要設(shè)置 而組合體在這個(gè)例子中有不同的循環(huán)的微小移動時(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 位置 應(yīng)變測量 有限元分析 光彈性分析 球鉸窩 176 165 176 表 位置 應(yīng)變測量 有限元分析 車身 安裝連接的內(nèi)徑 25 20 球鉸窩 49 40 表 位置 有限元分析 彈性分析 車身安裝連接的內(nèi)徑 22 26 43（ 25） 球鉸窩 30 - 42（ 25） 7 結(jié)論 上述使用的所有分析技術(shù)： 彈性分析、有限元分析以及應(yīng)變測量分析，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)別可以用測量的準(zhǔn)確性來解釋，就像 et 1 所記錄的一樣，應(yīng)變測量系統(tǒng)所引起的誤差占到 5 10%，而更多的誤差是由于定向、定位以及測量引起的。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果應(yīng)變測量需要一個(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)域相對很低或者是非主應(yīng)力的原因，這種情況下形狀的改變在懸架臂上不能經(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、 及有限元分析都對懸架臂進(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： 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 H. 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