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闡述過復合材料已經迅速地成為一種結構材料。原因是復合材料具有高強度和高硬度，這些性質可以降低結構的重量也許復合材料最重要的特征是它們的力學性質可以“配置的”，以此來滿足特殊的要求。然而，約翰遜等2說明了在復合材料在用于轎車和卡車之前，它的設計、分析和制造技術仍需要重點的開發(fā)和成功的論證。復合材料不得不在工程領域與鋼材相競爭。在汽車工業(yè)中需要有相關的部門來轉換某些技術就像華威大學的先進技術中心，該中心擁有材料學家、汽車工程師，他們致力于研究復合材料以此來替代像鋼這種傳統(tǒng)材料，這就要求汽車設計者需要充分掌握材料的強度和局限性。只有這樣他們才能在概念設計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計、測試以及零部件的制造當中掌握復合材料的性質，及其多種分析方法。例如：有限元分析、SPATE和光彈性分析。這些分析方法在復合組合體的設計與開發(fā)中得到應用。這樣少量的工作似乎完成了研究過程，但這些結果是否包括：通過各種分析方法找出相互見的關系或者通過測試實際的組合體得到實際的實驗結果。為了研究用復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系。這個復合組合體在現實受載情況下通過三種方法分析，而且實驗的結果中包含了應變測量。Anti-Roll Bar Mounting(防側傾穩(wěn)定桿連接)Ball Joint Housing(球鉸窩)Body Mounts(車身安裝連接)圖1.組合式懸架臂設計原先的鋼制下懸架臂由9塊組件焊接在一起的,然而重新設計的復合材料組件 如圖1.它是一個獨立的模壓零件,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。鋼制懸架臂質量為2.53千克，然而重新設計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)的質量加到一起總質量也不過為1.5千克。組合懸架臂材料的性質在這些分析中可以得出，測試在羅孚材料實驗室已完成，得出如下的選擇：楊氏模量=10.5Gpa ，泊松比=0.26 ，密度=1.810-6 kg/mm-3.實驗技術先前承擔實驗分析的是一種實際的工程零件。當采用模壓塑料板材時，最初的一些有效工作需要有足夠的技術條件來支撐。因此，平板、橫桿和圓盤由模壓塑料板材制成時，那么要在設計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變測量及其有限元分析。盡管模壓塑料板材不是一種均質材料，它在生產工藝中由一些纖維定位，但為了分析這種材料我們要假設它是均質材料。同樣，用模壓塑料板材制成的懸架臂已經被離散化，主要的纖維分布在加強肋處，分析實驗結果之間的聯(lián)系會發(fā)現這個假設是可行的。應變測量在著手做實驗測試任務之前，復合組件是由它的橡膠安裝襯套安裝在一個相對堅固的結構上。由于很難考慮到各種條件在做實驗時要假設處于最壞的情況下，最壞的情況是在加載“pot-hole制動”時。這個實驗是試圖模擬汽車以30mph的速度突然進入此狀態(tài)，此時制動器完全處于沖擊點上。這個時候的合力和橫向載荷的計算是以汽車的重量和速度來測算的。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加載的應用以及結果的換算，這會導致作用在同一方向上的載荷減少。在全部pot-hole制動情況下，載荷作用在“x”方向為24.2 KN，在“y”方向上是8.2 KN輕載荷時“x”方向是5.9KN,在“y”方向上是2.02KN 如圖1.應變儀由6個坐標多片組合式應變片和13個2.5mm長的單極應變片組成。要選擇合適的組件半徑，這樣才能測得最大的應變值。應變片放在球節(jié)附近，因為這個位置受到載荷，還要將應變片放在車身安裝連接襯套的內壁上，因為著這個位置是聯(lián)接懸架臂與副車架的。其余的應變片放在加強肋和防側傾穩(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力，通過研究在周期性載荷條件下零件溫度的細小變化，而得出其所受的應力值。SPATE設備包括：一個帶有掃描探頭的檢測裝置，一個模擬信號處理裝置和一個數字式電子信息裝置。整個系統(tǒng)的工作原理是這樣的，當一個結構受到周期性載荷時，該系統(tǒng)可以檢測出一瞬間此結構的溫度變化。紅外線探頭可以掃描此結構，并且可以從受載系統(tǒng)中測出參考信號的輸出值。數字式電子信息裝置通過參考信號可以檢測出感應應力的熱偏差量。此時一種彩色的輪廓曲線圖繪出，圖顯示出此時主應力（1+2）之和，同時直方圖也顯示出有用的數值。信號的這個相互關系有效地去除了其它不同的受載系統(tǒng)信號的頻率。例如，周圍介質的溫度。SPATE系統(tǒng)的溫度分辨力達到0.001C,空間分辨力小于1mm。這種分析已經得到一些作者3-16的驗證，并且已經用于非均質材料，如復合材料，并且從這樣的研究中比較理論的或有限元分析的結果，以此可以確定一些少量的錯誤（6%），這些少量的錯誤是由于在材料數據的使用上不準確4。很明顯研究熱彈性應力的分析，以此來評估各向異性的復合材料，這種材料比均質的材料更復雜化。然而，這項技術能提供許多有用的信息，諸如：應力分布、表面檢測效果和裂縫增長預測信息。它可以確定已給正確的、詳細的材料特性以及依賴材料各向異性程度的定性結果，包括：膨脹系數。先前是對懸架臂進行了全面的SPATE分析，這個分析是要確定用于實驗的材料的校準系數。有兩種方案可以測得系數，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生的SPATE輸出值相比較得出系數，或者通過應變儀直接測出零件在均勻區(qū)域的應力分布，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，但通過應變儀直接校準，以便解決眾多問題。這樣的話從SPATE輸出的數值中可以獲得重要的信息。光彈性分析大多數光彈性分析研究是用來檢查復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來分析其作用效果的。這樣做是為避免構建復雜的各向異性的光彈性模型，并且這樣構建的組合體失去了透明度以至不能分析。然而，對于復雜纖維層，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用于復合材料的研究17-30。從那樣的分析中可以得到合理的結論，但這種分析要求材料有必須的透明度?？墒菑秃辖M合體要采用這種研究方法，因此從模壓塑料板材和假設的均質材料中來制造，那么將會簡化光彈性模型的構建。為了進行光彈性分析，需要構建懸架臂的一個三維的環(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“應力點”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。為了確定在任一點上主應力的大小和方向，切片在偏振光下檢測時需要清理。通過計算模型的應力干涉邊紋的數量，可以算出并轉換為組件的實際受載情況。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展開研究。然而實驗用的硅和泡沫橡膠處于高溫環(huán)境中時，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懸架臂是整體安裝的。有限元分析模型化的復合式懸架臂用了大約1300 STIF45 ANSYS 實體元件，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 制動載荷。第二種情況由于測試設備的局限在模擬輕載荷是得到的數值要與用測量得到的數值比較。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系。結論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力非常接近在pot-hole情況下所給材料的最大抗拉強度。這意味著組件要采用不同的材料來加工，或者在組件受高強度應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，并且在整個安裝襯套范圍內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力。另外，鑒于組件的幾何結構、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果，那么就不得不需要在這些高應力梯度區(qū)域模擬出更小的元件。2.光彈性分析假設用于光彈性分析的懸架臂模型通過在前后方向上加載，使得最大應力分布在水平面上。雖然在實際中，由于特定區(qū)域的幾何形狀的影響使得上述結果嚴格來說并不是十分正確，但是假設也是建立在大量準確的結果之上的。如果在特定區(qū)域內有明顯的偏差，那么可能是由于不同平面上的切片所引起的。最大應力發(fā)生在球鉸窩和車身安裝連接附近。因為光彈性分析能精確定位在微小區(qū)域上的高應力，所以通過光彈性分析得到的最大應力比用應變測量儀測得的最大應力要大。例如：最大應力水平分布于前車身安裝連接上，最大值可達43MP其數值大于用SPATE測得的26MP。通過檢查光彈性模型的切片可以解釋以上兩者的差別，檢查結果顯示，最大應力僅產生跨度在3mm左右的位置上，而且應力在跨度兩邊上應力都在25MP左右。3.SPATE分析最初的SPATE檢測能測出位于安裝位置以及一些張緊力或者壓力混合的位置。因為橡膠安裝襯套在應變測量儀測試時已發(fā)生了變形，所以要找出關于有關懸架臂、車身安裝連接臂位置移動所引起的問題。如果有必要SPATE可以裝上運動補償裝置，它可以及時地用檢測裝置中的掃描鏡來偏轉試驗樣品的波動，從而消除了波動。然而在某些特殊情況下，不能同時消除在整個區(qū)域內的波動。這樣的話有必要去掉橡膠襯套換用鋁制襯套。SPATE分析法反復分析實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力（26MP）。遺憾是沒有一個SPATE分析可以著手分析組件的末端球節(jié)，因為要提高載荷適應性是很難的，需要有液壓執(zhí)行機構提供循環(huán)載荷。比較結果應當說明的是表格中所引用的應力值都是來源于應變測量儀的測量值，這些測量值是由多片組合式應變片測出的最大主應力進而推算出的。光彈性分析也給出了最大主應力值，除了在機體內自由邊上的主應力（1-2）與它不同。SPATE分析輸出值是以主應力（1+2）的和給出的，而有限元分析可以以任一形式輸出數值。因為組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生的轉化數值。表格1中的結果是在最大pot-hole的情況下比較出的。最大應力值都產生在球節(jié)處與聯(lián)接處。由應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力。模型的應力增加了，它是當前后載荷和橫向載荷之間的比值保持不變并且當在全pot-hole制動時以不變的比例作用于懸架臂的。在輕載條件下的分析結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都集中在一個非常小的點上的應力值，而通過有限元分析給出的應力值相對來說分布要大的多。就光彈性分析的結果而言，在集中的兩邊上的平均公稱應力也標在括號中，以便比較。與應變測量所得結果相比，由SPATE得出的結果是非常接近最大應力的。當應力集中時理論上SPATE應當比應變測量更有用，這樣在較小區(qū)域上的測量值取決于掃描的物體間的距離，這樣的話用SPATE測量時要設置1mm直徑，相比之下應變測量需要設置2.5mm柵格長。然而組合體在這個例子中有不同的循環(huán)的微小移動時，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。表1.全載荷條件下的應力值（MP）位置應變測量有限元分析光彈性分析球鉸窩176165176 表2.輕載荷條件下安裝襯套的應力值（MP）位置應變測量有限元分析車身安裝連接的內徑2520球鉸窩4940表3.輕載荷條件無安裝襯套的應力值（MP）位置有限元分析SPATE光彈性分析車身安裝連接的內徑222643（25）球鉸窩30-42（25）結論上述使用的所有分析技術：SPATE、光彈性分析、有限元分析以及應變測量分析，這些分析表示出在球鉸窩附近區(qū)域的最高應力，所有的方法也表示出車身安裝連接襯套的主應力。然而，有限元分析不能經常準確地在大區(qū)域單元上表示出高應力。如果需要更詳細的結果可以在這些區(qū)域上進行有限元分析，那時它們不得不在高應力梯度區(qū)域上模擬出更多，更詳細的單元。對于每一種分析技術來說整個應力分布圖是一樣的，應變測量的結果和用有限元分析出的結果間的區(qū)別可以用測量的準確性來解釋，就像Autio et al 31所記錄的一樣，應變測量系統(tǒng)所引起的誤差占到510%，而更多的誤差是由于定向、定位以及測量引起的。為了獲得準確的結果應變測量需要一個合理的一致的應力。由于任何一個很大的應力梯度或是區(qū)域相對很低或者是非主應力的原因，這種情況下形狀的改變在懸架臂上不能經常達到要求。 所有的實驗技術在組合懸架臂上都顯示了類似的應力分布圖。這些方法突出了在球鉸窩區(qū)域的高拉伸應力，同樣也突出車身安裝連接臂周圍的高應力。如果高應力被測出，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力密度，并且可以表示出較小的值。這些實驗技術展示了它們之間很好的關聯(lián)性，光彈性分析、SPATE以及有限元分析都對懸架臂進行了分析，并且所得出的應力圖是非常相似的。還可以得出一個結論：SPATE技術可以提供一個有用的、非接觸的方法確定復合材料的應力。參考文獻1 Sol, H. and de Wilde, W.P. 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