应力应变测试仪在纯电动客车骨架应变测试中的应用

近几年来，纯电动客车因绿色、环保成为主要交通工具之一。每台车为了满足公交对于日均续驶里程的要求，都配备了2-3t的动力电池，进而整车质量上升。为了节约能源，在保证骨架强度的同时，需对大客车车身结构做轻量化设计。

目前车身骨架设计评估主要通过静态应变分析和动态应变分析，静态应变分析主要包括强度和刚度两方面，即分析骨架的应力和应变情况；动态应变分析主要是进行低阶自由振动的模态分析。

实验目的及内容

实验的主要目的是验证有限元方法模拟仿真结果的准确性，希望能为新能源客车轻量化设计提供一些帮助。为了实现这一目标，根据某公司已有的有限元仿真模型及其计算结果，通过在实车骨架结构部分重要节点处布置应变片，进行局部应力及应变的测量，并将实验结果与仿真结果相比较。

具体可分为以下5个部分：

1. 使用应力应变测试仪进行局部应力应变测量，并记录初始数据。

2. 根据仿真结果，在应力应变较大的区域以及异常的区域设置传感器点，并打磨、焊接应变片，为获取实时实验数据做好准备。

3. 对实体客车载重配平，进行静态弯扭工况的变形及受力测量，并测量空载以及加载重物两种情况下，左、右前轮一轮悬空时的应力应变。

4. 进行动态应变测试，主要分为空载以及加载重物2种情况，并模拟不同路面工况情况下，主要为刹车以及转弯时的动态应力分布，实验中主要参考标准为GBT6792-2009。

5. 统计数据，并对获取的数据进行分析处理。

实验设备及材料

本次实验仪器采用聚航科技生产的JHYC静态应力应变测试仪、JHDY动态应力应变测试仪。都是由应变仪和软件构成，基于模块化设计，能够按照不同需求组成集散测试系统，各通道可接入不同类型传感器，完成应力应变、振动（加速度、速度、位移）等各种物理量的采集、测试和分析。多通道实时显示应变数值、直接显示应力，数据实时保存。

实验实施及结果

（1）应变片粘贴及连接

应变片测点的选择是依据之前有限元方法模拟仿真和计算的结果，在较大应力区以及部分非正常应力区粘贴应变片。应变片粘贴具体位置：客车左侧围3个应变片的布置点，客车右侧围的3个布置点以及客车中门上部的4个布置点。客车底部27各布置点。

在进行动态应变测试时，需要在底盘的车头和车尾分别布置2个加速度传感器。根据有限元模拟仿真计算中的加载量对实车进行等量加载，本实验用沙袋代替人进行配重。空载总质量为12210kg，模拟加载时称重为14410kg。

（2）静态应变测试结果

静态应变测试实验主要包含2个部分：

1. 静态弯曲应变测试，给客车加上配重，进行弯曲应变测试，将实验结果与模拟结果进行比较。

2. 静态和轮悬空测试，在本实验中，主要测量左前轮悬空、右前轮悬空、空载以及沙袋配重时的应力应变，并用Tecplot软件进行画图，对比分析。

由静态实验数据与仿真应力拟合后的曲线对比图可知，实验和有限元方法仿真应力曲线一致，在空载左前轮悬空试验中，误差在20%以内且偏差趋势相同的测点共计24个，有效测点共计31个，占比77.4%，误差在可接受范围内。在空载右前轮悬空试验中，误差在20%以内且偏差趋势相同的测点共计25个，有效测点共计31个，占比80.6%。在加载弯曲工况试验中，误差在20%以内且偏差趋势相同的测点共计25个，有效测点共计31个，占比80.6%。在加载左前轮悬空试验中，误差在20%以内且偏差趋势相同的测点共计26个，有效测点共计31个，占比83.9%，符合要求。在加载右前轮悬空实验中，误差在20%以内且偏差趋势相同测点共计25个，有效测点共计31个，占比80.6%。根据上述分析得出，在静态应变测试实验中，运用有限元仿真模拟计算模型，能够很好的反映实际情况，仿真具有一定的确准性。

（3）动态应变测试结果

动态应变测试主况主要有2种。

1. 动态急刹车应变测试。将客车以30km/h的时速运行，在途中紧急刹车，测试应力应变情况。

2. 2.急转弯应变测试。车辆急转弯时，车身除受垂向载荷外，还承受横向惯性力的作用，对车身顶盖和地板骨架产生较大弯矩，而右转弯时转弯半径较左转弯小，其承受的向心力较大，故考虑右转弯工况。以30km/h的时速驾驶客车，并以转弯角度为90°的直角进行转向，测试此时的应力应变情况。

从动态试验与仿真曲线的对比图可知，在加载刹车试验中，仿真模拟结果与实际情况整体趋势吻合度较高，满足标准要求。而在加载转弯试验中，试验数据与仿真结果趋势大体相同，但是误差较大，其原因可能为动态测量道路情况复杂，整车变形属于瞬态工况，导致实际误差较静态测量大。

结果分析与结论

（1）静态应变测试结果分析

在静态空载、满载下的弯曲和悬空工况下，对实验测试进行分析，并与有限元仿真结果进行对标，可以得到以下几个结论。

1.静态应变测试结果与仿真结果整体趋势吻合度较高，满足标准要求。

2.两类数据对比，局部位置精度达到95%以上，精度达标点占总体布点数80%以上，精度达标点数据满足要求。

3.由于模拟过程中，模型的前后桥没有准确CAD数据，对最终模拟结果有一定影响。

4.考虑到安全及国标要求，一轮悬空试验采用的是下降240mm，局部测点而模拟结果与实验结果依然存在小范围的偏差，偏差在允许范围内。综上分析可知，静态应变实验的仿真精度较高，达到标准要求。

（2）动态应变测试结果与分析

在动态刹车及转弯刹车工况下，对实验测试进行分析，并与有限元仿真结果进行对标，可以得到以下几个结论。

1.动态应变测试结果与仿真结果整体趋势吻合度较高，满足标准要求。

2.由于模拟过程中，模型的前后桥没有准确CAD数据，对最终模拟结果造成一定影响。

3.局部测点的模拟结果与试验结果依然存在小范围的偏差，偏差在允许范围内。

4.总体而言，动态应变测试结果与仿真相对应结果，紧急制动工况趋势吻合度较高，而极速转弯工况局部位置误差较大，急转弯工况误差较大原因是由于应力结果数值较小，基本在10-20MPa范围之内，所以微小的误差占总体的权重较大，动态实验结果与仿真结果整体趋势吻合度较高。

结语

按照国家标准《GB/T6792-2009 客车骨架应力和形变测量方法》，对纯电动车公交车整体骨架结构在动、静状态下的不同工况进行应变测试实验，同时与有限元仿真结果进行对比。结果发现；针对空载、满载下的弯曲和悬空工况，静态应力试验结果与仿真结果整体趋势吻合度较高。针对动态刹车及转弯刹车工况，动态应力实验结果与仿真结果整体趋势一致，满足标准要求，但具体数值存在一定误差，需要对软件程序进行一定的修改。

此次电动客车骨架应变测量实验测试达标测点占总成测点比例95%以上，达到电动客车骨架测量应力、应变的实验要求。针对纯电动公交车进行的有限元仿真结果在静态部分可信且精度较高，可以为纯电动公交客车轻量化设计提供依据，而在动态部分，总体趋势与实际情况大致相同，但是精度不高，仍需改进。